一種鋰空氣電池非碳正極及其制備方法、鋰空氣電池技術

本發明專利技術適用于電化學能源領域，提供了一種鋰空氣電池非碳正極及其制備方法、鋰空氣電池。所述制備方法包括：利用水熱反應在泡沫鎳上形成鈷錳氫氧化物；進行空氣中退火，將所述鈷錳氫氧化物轉化為MnCo

Non carbon positive electrode for lithium air battery, preparation method thereof and lithium air battery

The invention is applicable to the field of electrochemical energy, and provides a non carbon positive electrode of a lithium air battery, a preparation method thereof and a lithium air battery. The preparation method comprises the following steps of: formation of cobalt manganese hydroxide on foam nickel by hydrothermal reaction; annealing in air; converting said cobalt manganese hydroxide into MnCo

【技術實現步驟摘要】
一種鋰空氣電池非碳正極及其制備方法、鋰空氣電池
本專利技術屬于電化學能源領域，尤其涉及一種鋰空氣電池非碳正極及其制備方法、鋰空氣電池。
技術介紹
近年來，隨著經濟的快速發展，環境問題和石油能源危機日趨嚴重，人們對清潔能源的需求顯得日益迫切。鋰空氣電池以其擁有能量密度高、對環境友好、具有電化學可逆性等優點，在清潔能源領域有著良好的應用前景，有望超越鋰離子電池的新一代蓄能電池系統。在鋰空氣電池中，空氣正極擁有著多孔的結構為外界的氧氣進入電池中提供通道，同時在放電的過程中鋰離子與氧負離子在正極上結合形成放電產物過氧化鋰，并且沉積在正極上，因此正極的比表面很重要，其為放電產物的儲存提供空間。正極材料主要包括碳基正極和非碳基正極兩個部分，為了盡量減少副反應的發生、提高充放電循環次數，越來越多的非碳正極逐漸應用于鋰空氣電池中。現有鋰空氣電池非碳正極主要采用磁控濺射法、電沉積法、陽極氧化法，由此獲得的鋰空氣電池中的碳材料容易分解，從而降低了鋰空氣電池充放電過電勢。因此，現有技術存在缺陷，需要改進。
技術實現思路
為解決上述技術問題，本專利技術提供了一種鋰空氣電池的非碳正極及其制備方法和鋰空氣電池，旨在更有效地鋰空氣電池中催化劑的催化作用，解決鋰空氣電池中碳材料的分解問題，從而降低鋰空氣電池充放電過電勢，使電池穩定高效地運行。本專利技術是這樣實現的，一種鋰空氣電池非碳正極的制備方法，包括以下步驟：a、利用水熱反應在泡沫鎳上形成鈷錳氫氧化物；b、進行空氣中退火，將所述鈷錳氫氧化物轉化為MnCo2O4，獲得Ni負載MnCo2O4；c、進行水熱反應，使所述Ni負載MnCo2O4復合氫氧化鎳；d、在空氣中退火，使所述Ni負載MnCo2O4復合氫氧化鎳中的氫氧化鎳轉化為NiO，獲得所述鋰空氣電池非碳正極。進一步地，所述步驟a包括：將可溶性錳鹽、可溶性鈷鹽、六次甲基四胺和NH4F按照摩爾比1:2:(10-12):(5-7)溶解于30-50mL去離子水中，獲得溶液一；將泡沫鎳置于反應釜中，倒入上述溶液一，110℃-130℃水熱反應8～16h。進一步地，所述泡沫鎳在步驟a之前先進行預處理，所述預處理過程包括：將泡沫鎳根據需要進行裁剪；用去離子水沖洗后置于質量分數15-20％的鹽酸溶液浸泡30-40min；再用去離子水沖洗后真空干燥。進一步地，所述步驟a和步驟b之間還包括清洗、干燥處理過程，所述清洗、干燥處理過程包括：將結合鈷錳氫氧化物的泡沫鎳，用去離子水清洗3-5次，超聲30-35min后再置于真空條件下干燥。進一步地，所述步驟b包括：將泡沫鎳置于管式爐中，在空氣中升溫至450℃，退火2-3h，獲得Ni負載MnCo2O4；所述升溫的速率為1-2℃/min。進一步地，所述步驟c包括：將可溶性鎳鹽和六次甲基四胺按照摩爾比1：10～12溶于30-50mL去離子水中，攪拌至完全溶解，獲得溶液二；將所述Ni負載MnCo2O4置于反應釜中，加入上述溶液二，在150-170℃水熱反應24-36h。進一步地，所述步驟d包括：將Ni負載MnCo2O4復合氫氧化鎳置于管式爐中，在空氣中升溫至400℃，退火2-3h，獲得所述鋰空氣電池非碳正極，所述升溫的速率為1-2℃/min。進一步地，所述鋰空氣電池非碳正極中泡沫鎳的MnCo2O4復合NiO的負載量為2mg/cm2。本專利技術還提供了一種鋰空氣電池非碳正極，采用上述所述的制備方法制成。本專利技術還提供了一種鋰空氣電池，包括上述所述的鋰空氣電池非碳正極。本專利技術與現有技術相比，有益效果在于：本專利技術實施例提供的鋰空氣電池非碳正極的制備方法，通過物理和化學過程相結合而使催化劑直接在集流體上吸附或者生長，制備過程中不需要使用含碳和含氟的膠粘劑粘合催化劑到集流體上，減少了電池循環的過程中產生的副反應。而泡沫鎳的多孔三維結構，為催化劑的附著提供了3D空間的骨架，由此使獲得的鋰空氣電池非碳正極具有三維結構，而且三維結構為催化劑提供更多的附著位點，使得催化劑有更多的活性表面與鋰空氣電池中的電解液接觸，為鋰空氣電池的充放電循環提供活性位點和氧空位，最終促進鋰空氣電池的ORR(氧還原反應)和OER(氧析出反應)反應。附圖說明圖1為本專利技術實施例3中非碳正極NiO/MnCo2O4@Ni的SEM圖；圖2為本專利技術實施例3中非碳正極NiO/MnCo2O4@Ni的EDS能譜表征圖；圖3為本專利技術實施例3中非碳正極NiO/MnCo2O4@Ni的TEM圖；圖4是以實施例1-3的正極材料制備的鋰空氣電池在0.1mA/cm2電流密度條件下的深度放電測試對比結果圖；圖5是以實施例1-3的正極材料制備的鋰空氣電池在電流密度為0.3mA/cm2條件下的充放電電壓對比圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。本專利技術實施例提供了一種鋰空氣電池非碳正極的制備方法，包括以下步驟：a、利用水熱反應在泡沫鎳上形成鈷錳氫氧化物；b、進行空氣中退火，將所述鈷錳氫氧化物轉化為MnCo2O4，獲得Ni負載MnCo2O4(即為非碳正極MnCo2O4@Ni)；c、進行水熱反應，使所述Ni負載MnCo2O4復合氫氧化鎳；d、在空氣中退火，使所述Ni負載MnCo2O4復合氫氧化鎳中的氫氧化鎳轉化為NiO，獲得所述鋰空氣電池非碳正極(即為NiO/MnCo2O4@Ni)。本專利技術實施例提供的鋰空氣電池非碳正極的制備方法，通過高溫高壓的水熱合成過程以及其后的退火煅燒過程使得過渡金屬氧化物催化劑——MnCo2O4緊密結合到泡沫鎳基底上，形成三維結構的以介孔為主的多孔非碳正極MnCo2O4@Ni，再通過進一步高溫高壓的水熱合成過程以及其后的退火煅燒過程使金屬氧化物催化劑——NiO復合到MnCo2O4@Ni，最終形成NiO/MnCo2O4@Ni非碳復合正極，NiO可以降解鋰空氣電池中的碳酸鋰副產物，使電池的性能循環增加。具體地，所述步驟a包括：將可溶性錳鹽、可溶性鈷鹽、六次甲基四胺和NH4F按照摩爾比1:2:(10-12):(5-7)溶解于30-50mL去離子水中，獲得溶液一；將泡沫鎳置于反應釜中，倒入上述溶液一，110℃-130℃水熱反應8～16h，優選120℃。具體地，所述泡沫鎳在步驟a之前先進行預處理，所述預處理過程包括：將泡沫鎳根據需要進行裁剪；用去離子水沖洗后置于質量分數15％-20％的鹽酸溶液浸泡30-40min，優選在15％的鹽酸溶液浸泡30min，以去除泡沫鎳表面覆蓋的氧化層；將去除氧化層后的泡沫鎳，用去離子水反復沖洗后放在真空干燥箱中干燥12h。具體地，所述步驟a和步驟b之間還包括清洗、干燥處理過程，所述清洗、干燥處理過程包括：將結合鈷錳氫氧化物的泡沫鎳，用去離子水清洗3-5次，超聲30-35min后再置于真空條件下干燥。具體地，所述步驟b包括：將泡沫鎳置于管式爐中，在空氣中升溫至450℃，退火2-3h，獲得Ni負載MnCo2O4；所述升溫的速率為1-2℃/min。具體地，所述步驟c包括：將可溶性鎳鹽和六次甲基四胺按照摩爾比為1：10～12溶于30-50mL去離子水中，攪拌至完全溶解，獲得溶液二；將所述Ni負載MnCo2O4置于反應釜中，加入上本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋰空氣電池非碳正極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：a、利用水熱反應在泡沫鎳上形成鈷錳氫氧化物；b、進行空氣中退火，將所述鈷錳氫氧化物轉化為MnCo

【技術特征摘要】
1.一種鋰空氣電池非碳正極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：a、利用水熱反應在泡沫鎳上形成鈷錳氫氧化物；b、進行空氣中退火，將所述鈷錳氫氧化物轉化為MnCo2O4，獲得Ni負載MnCo2O4；c、進行水熱反應，使所述Ni負載MnCo2O4復合氫氧化鎳；d、在空氣中退火，使所述Ni負載MnCo2O4復合氫氧化鎳中的氫氧化鎳轉化為NiO，獲得所述鋰空氣電池非碳正極。2.如權利要求1所述的鋰空氣電池非碳正極的制備方法，其特征在于，所述步驟a包括：將可溶性錳鹽、可溶性鈷鹽、六次甲基四胺和NH4F按照摩爾比1:2:(10-12):(5-7)溶解于30-50mL去離子水中，獲得溶液一；將泡沫鎳置于反應釜中，倒入上述溶液一，110℃-130℃水熱反應8～16h。3.如權利要求1所述的鋰空氣電池非碳正極的制備方法，其特征在于，所述泡沫鎳在步驟a之前先進行預處理，所述預處理過程包括：將泡沫鎳根據需要進行裁剪；用去離子水沖洗后置于質量分數15-20％的鹽酸溶液浸泡30-40min；再用去離子水沖洗后真空干燥。4.如權利要求1所述的鋰空氣電池非碳正極的制備方法，其特征在于，所述步驟a和步驟b之間還包括清洗、干燥處理過程，所述清洗、干燥處理過程包括：將結合鈷錳氫氧化物的泡沫鎳，用去離子...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王芳，吳其興，馮景華，孟誠誠，羅仲寬，
申請(專利權)人：深圳大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44