[发明专利]一种锂空气或氧气电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，具体涉及一种锂空气或氧气电池。 

背景技术

当今，环境问题备受关注，所以取代燃油动力车辆的电动或混合动力车所需储能器件得到很好发展。锂离子电池由于高能量密度，目前已广泛应用于便携式电子产品、电动工具等领域。然而，迄今成熟的锂离子电池均以钴、镍等无机过渡金属元素为主要的正极活性材料，因此锂离子电池的大规模使用，势必导致钴、镍等金属资源危机。并且，锂离子电池的能量密度已接近极限。故而，开发更高能量密度的化学电源成为必然。锂空气或氧气电池，即：锂空气(氧气)电池，由于具有高达3.81Ahg^-1的容量密度和2790Whkg^-1的能量密度，被认为是最有可能满足上述需求的化学电源。 

锂空气或氧气电池的工作原理是：以金属锂为负极，由碳基材料组成的多孔电极(即空气或氧气电极)为正极，放电过程中，金属锂在负极失去电子成为锂离子，电子通过外电路到达多孔电极，此时电子并没有将多孔电极上的碳还原，而是像人类的呼吸一样，将空气中的氧气或氧气还原，这一反应持续进行，电池便可以向负载提供能量；充电过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产生的放电产物首先在多孔电极被氧化，重新放出氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂，待该过程进行完全，则电池又可重新向负载提供能量。 

锂空气或氧气电池的空气或氧气电极扮演着重要角色，其性能好坏直接决定了最终锂空气或氧气电池的各项性能指标。目前，锂空气或氧气电池的空气或氧气电极材料多采用常用炭材料，如商业化炭黑(如KB系列、XC-72和XC-72R、BP2000等)、自制活性炭、碳气凝胶、石墨烯等。由于这些炭材料自身结构的限制，其氧还原催化性能有限，致使锂空气或氧气电池高容量和高能量密度的潜力未能充分发挥。有研究表现将少量的氮原子掺杂到炭纳米材料中(参考文献：1.K.P.Gong，F.Du，Z.H.Xia，M.Durstock，L.M.Dai， Sience，323，760(2009)；2.X.R.Wang，X.L.Li，L.Zhang，Y.K.Yoon，P.K.Weber，H.L.Wang，J.Guo，H.J.Dai，Sience，324，768(2009)；3.J.P.Dong，X.M.Qu，L.J.Wang，C.J.Zhao，J.Q.Xu，Electroanalysis.，20，1981(2008).)，N原子的孤对电子可以和石墨平面的大π键形成共轭体系，并且由于N的电负性较C大，具有拉电子效应，可以使整个碳材料的电子结构、力学性能产生改变，使其与掺杂前相比表现出更好的电催化和光催化性能。该种掺杂改性的炭材料已成功用作燃料电池氧还原催化剂，然而锂空气(氧气)电池还未见报道有使用氮杂炭材料作为电极材料。 

目前，锂空气(氧气)电池空气(氧气)电极除使用炭材料作为电极主要材料外，还使用具有氧还原催化活性的MnO₂、Fe₃O₄、Co₃O₄等过渡金属氧化物。 

另外，有研究显示过渡金属氮或碳化物，因其表面性质和催化活性类似于Pt等贵金属，而在异相催化中表现出较好的催化活性，被称为“准铂金催化剂”，被认为有很好的氧还原催化活性(参考文献：甘赠国，黄志宇，庞纪峰，过渡金属碳化物的催化研究进展，精细石油化工进展，2007，8(6)，37-41)。 

发明内容

本发明提供了一种具备比现有锂空气(氧气)电池更高的比容量和更高的放电平台的高性能锂空气(氧气)电池。 

一种锂空气或氧气电池，包括空气或氧气电极，负极、隔膜以及电解液，所述的空气或氧气电极的材料包括氮杂炭材料。 

本发明锂空气或氧气电池的结构采用现有锂空气或氧气电池的结构，如以空气或氧气电极为正极，依次叠加正极、隔膜和负极，正极和负极之间充满电解液；或者，以空气或氧气电极为正极，依次叠加正极、隔膜和负极，电解液充满锂空气电池的整个空间。所述的负极、隔膜以及电解液均采用本领域锂空气或氧气电池通用的负极、隔膜以及电解液，并没有特别的限制。 

所述的负极的材料可选用锂空气或氧气电池常用的现有材料，如锂片。 

所述的隔膜可选用锂空气或氧气电池常用的现有隔膜，如微孔聚丙烯膜。 

所述的电解液可选用锂空气或氧气电池常用的现有电解液，如锂盐的非质子性有机溶剂电解质溶液。 

为了达到更好的发明效果，优选：