[发明专利]一种高催化性能的一体化阴极及其制备方法和电池

说明书

本发明提供一种高催化性能的一体化阴极及其制备方法和电池，该制备方法包括：a)双层结构固体电解质的制备：将固体电解质浆料A和含有淀粉的固体电解质浆料B分别涂覆在基底上，进行干燥，将干燥得到的固体电解质膜生片A和固体电解质膜生片B进行热压复合，烧结，得到双层固体电解质片；b)一体化阴极的制备：将双层固体电解质片置于含催化剂的分散液中进行处理，取出后干燥，然后将分散液喷涂在双层固体电解质片的多孔层一面，在惰性气氛条件下进行热处理。使用该阴极组装的Li‑O₂电池中，电池首周放电电压平台高达2.90V，充放电中值电压相差仅0.82V，具有高催化性能；稳定运行35周，库伦效率保持100％。

技术领域

本发明涉及金属空气电池领域，尤其涉及一种高催化性能的一体化阴极及其制备方法和电池。

背景技术

锂空气电池以外界空气中的氧气为活性物质，正极往往采用廉价、轻质的多孔炭材料做催化剂，不需要携带传统锂离子电池正极材料中大量的Ni，Co，Mn等重金属元素，且使用电化学电位最低、拥有最高理论比容量的金属锂作为负极，使得该电池体系具有可与石油相媲美的能量密度。但由于当前研究还难以找到电化学性质足够稳定的液态电解质，锂空气电池仍然面临着较严重的副反应，这制约了该电池体系电化学性能的发挥。而氧化物型固态电解质相比液态有机电解液具有更宽的电化学窗口(电化学稳定性)、更高的热稳定(安全)性、以及显著提升的空气稳定性(助力实现“锂-氧”到“锂-空”的转变)，为锂空气电池性能的提升带来了新的可能。

固态阴极的制备一般通过将含碳前驱体(如，蔗糖溶液)灌入到特制的固态电解质多孔层中，然后在惰性气氛下进行高温炭化处理，以在多孔固态电解质表面沉积一层均匀的薄碳催化层进行氧气的还原和放电产物Li₂O₂的沉积。但这些方法存在一些弊端：首先，它限制了对于不通过热分解沉积到固态电解质表面的催化材料在这种固态体系中的使用；其次，这种热分解过程所具有的高温环境，会使合成的碳单质材料表现出一定的还原性，将LAGP中高价态的Ge⁴⁺还原，进而影响该固态电解质的离子导电性。

发明内容

本发明实施例提供一种高催化性能的一体化阴极的制备方法，本发明提供的方法制备的一体化阴极性能优异，可广泛应用于金属空气电极。使用该阴极所组装的Li-O₂电池中，电池首周放电电压平台高达2.90V，充放电中值电压相差仅0.82V，具有较高的催化性能；电池能够稳定运行35周，库伦效率保持100％。

本发明实施例提供一种高催化性能的一体化阴极的制备方法，该制备方法包括：a)双层结构固体电解质的制备：将固体电解质浆料A和含有淀粉的固体电解质浆料B分别涂覆在基底上，进行干燥，将干燥得到的固体电解质膜生片A和固体电解质膜生片B进行热压复合，烧结，得到“致密+多孔”双层固体电解质片；b)一体化阴极的制备：将所述双层固体电解质片置于含催化剂的分散液中进行处理，取出后干燥，然后将所述分散液喷涂在所述双层固体电解质片的多孔层一面，在惰性气氛条件下进行热处理。采用本发明中选择的材料和工艺步骤可以获得性能优异的空气电池阴极，并且能够连续生产，可广泛应用于金属空气电极。尤其是通过采用控制上述制备固体电解质浆料B中淀粉含量，能够进行多孔层内的孔的占比含量的调节，从而改善步骤b)中分散液在多孔层表面的附着含量。

根据本发明实施例提供的高催化性能的一体化阴极的制备方法，还包括步骤c)，催化剂的制备：将前驱体与导电碳材料按比例放入有机溶剂中，进行加热、搅拌、蒸干，得到混合均匀的粉末，在惰性气氛条件下高温烧结，得到所述催化剂；优选的，所述前驱体选自铁源前驱体、氮源前驱体和贵金属催化剂前驱体中的一种或多种，优选为铁源前驱体和氮源前驱体，所述铁源前驱体优选为醋酸亚铁，所述氮源前驱体优选为邻菲罗林。本发明中，通过采用上述方法制备的催化剂，能够实现电池放电电压的明显提高以及过电势的降低，尤其是通过采用上述邻菲罗林材料，热处理掺杂进入碳基体的氮原子具有更高的电负性，使得与之相邻碳原子的正电荷密度增加，从而提高对氧的吸附能力，增强其催化效果。