一種鋰空氣電池非碳正極的制備方法、鋰空氣電池技術

本發明專利技術適用于電化學能源領域，尤其涉及一種鋰空氣電池非碳正極的制備方法、鋰空氣電池。所述制備方法包括以下步驟：利用水熱反應在泡沫鎳基底上生長Co

Method for preparing non carbon positive electrode of lithium air battery and lithium air battery

The invention is applicable to the field of electrochemical energy, in particular to a method for preparing a non carbon positive electrode of a lithium air battery and a lithium air battery. The preparation method comprises the following steps: using a hydrothermal reaction to grow Co on a foamed nickel base

【技術實現步驟摘要】
一種鋰空氣電池非碳正極的制備方法、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的制備方法、鋰空氣電池。
技術介紹
隨著不可再生化石燃料的過度使用，全球變暖、環境污染等問題日益嚴重，開發綠色可持續發展新能源成為全人類亟待解決的關鍵問題。其中，鋰空氣電池因具有更高的理論比能量和存儲密度，而吸引了全世界科研工作者的濃厚興趣。鋰空氣電池采用金屬鋰作為負極，多孔擴散層為空氣正極，在放電過程中將鋰和氧氣的化學能轉變成電能，并且在充電的過程中通過分解放電產物(非水體系的Li2O2和水體系中的LiOH)來存儲電能。由于放電產物的不可溶性和絕緣性導致其不可逆分解和分解不完全，最終導致較差的可逆性和循環穩定性。在鋰空氣電池中，碳材料由于具有導電性高、氧吸附能力強、氧還原活性好、成本低等特性而應用廣泛，常見的有炭黑、介孔碳、碳納米管、碳纖維及石墨烯等。然而，碳材料作為鋰空氣電池正極，在放電過程中會促進電解液分解生成Li2CO3和LiRCO3等副產物，充電過程中Li2CO3分解導致充電電壓超過4V，然而在超過3.5V時碳材料也容易分解，從而降低庫倫效率影響電池性能。因此，現有技術存在缺陷，急需改進。
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非碳正極的制備方法、鋰空氣電池。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基底上生長Co3O4前驅體；b、在空氣中進行煅燒，將Co3O4前驅體轉化為Co3O4，形成Co3O4@Ni非碳正極(負載Co3O4的泡沫鎳電極)；c、先將Ni負載Co3O4浸泡于RuCl3溶液中，然后在氬氣保護下進行高溫處理，獲得RuO2/Co3O4@Ni非碳正極(RuO2修飾的Co3O4@Ni電極)。進一步地，所述泡沫鎳在進行步驟a之前先進行預處理，所述預處理包括：將泡沫鎳根據需要進行裁剪；用有機溶劑超聲浸泡5-7min，用去離子水沖洗后置于濃度為3-6M的HCl溶液超聲清洗15-20min；依次用乙醇、水沖洗后干燥。進一步地，所述步驟a包括：將Co鹽和尿素按摩爾比為1:3-4溶解于水中，獲得溶液一，其中，Co2+濃度為0.075-0.1mol/L；將溶液一轉反應釜中，放入泡沫鎳，密封，置于100-120℃下保持6-8h；自然冷卻反應釜，取出泡沫鎳，用水超聲清洗2-3次，烘干。進一步地，所述步驟b包括：將負載Co3O4前驅體的泡沫鎳置于管式爐中，在空氣氛圍下升溫至300-400℃，保溫2-3h；所述升溫的速率為3-5℃/min。進一步地，步驟c中，所述Ru鹽濃度為1-2mmol/L。進一步地，步驟c中所述高溫處理包括：將所述Co3O4@Ni非碳正極浸泡于pH為7-10的Ru鹽溶液中，取出后在惰性氣體保護下升溫至150-350℃，保溫4-5h；所述升溫的速率為3-5℃/min。進一步地，所述鋰空氣電池非碳正極的負載量為1-1.4mg/cm2。本專利技術還提供了一種鋰空氣電池，包括正極、負極、隔膜及電解液，所述正極為采用上述所述的鋰空氣電池非碳正極的制備方法制成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，通過水熱過程與低溫煅燒使得Co3O4前驅體轉化為Co3O4后形成納米線，生長于泡沫鎳基底上，并用RuO2修飾納米線電極來改善過渡金屬氧化物的導電性，制得的Co3O4@Ni納米線陣列具有較大的比表面積。在RuO2修飾之后，其形貌和結構也沒有明顯改變。低溫煅燒的過程造成了納米線的多孔結構和理想的比表面，這顯著增大了電解液與電極的接觸面積，為ORR和OER過程提供了更多的反應活性位點。另外，RuO2修飾之后導電性有所增強，有效改善了鋰空氣電池循環過程中放電電壓急劇下降的問題。此外，反應過程中生成帶缺陷弱晶型薄膜狀的放電產物，這些放電產物成為電導體而包覆于納米線表面，增大了反應的接觸面，減小了電荷轉移阻抗。在充電過程中，放電產物更容易分解，從而降低電池的充放電過電勢，使得鋰空氣電池的性能有所提高。附圖說明圖1為本專利技術實施例1中非碳正極Co3O4@Ni(負載Co3O4的泡沫鎳電極)的FESEM圖；圖2為本專利技術實施例2中非碳正極RuO2/Co3O4@Ni(RuO2修飾的Co3O4@Ni電極)的FESEM圖；圖3為本專利技術實施例1中非碳正極Co3O4@Ni的TEM圖；圖4為對比例鋰空氣電池在電流密度為50mA/g條件下的電壓-容量圖；圖5為本專利技術實施例1中非碳正極Co3O4@Ni鋰空氣電池在電流密度為200mA/g條件下的放電電壓-循環圖；圖6為本專利技術實施例2中非碳正極RuO2/Co3O4@Ni鋰空氣電池在電流密度為200mA/g條件下的放電電壓-循環圖；圖7為對比例鋰空氣電池在電流密度為200mA/g條件下的充電電壓-循環圖。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基底上生長Co3O4前驅體；b、在空氣中進行煅燒，將Co3O4前驅體轉化為Co3O4，形成Co3O4@Ni非碳正極(負載Co3O4的泡沫鎳電極)；c、先將Ni負載Co3O4浸泡于RuCl3溶液中，然后在氬氣保護下進行高溫處理，獲得RuO2/Co3O4@Ni非碳正極(RuO2修飾的Co3O4@Ni電極)。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，通過水熱過程，在高溫高壓的條件下使得納米線狀的Co3O4前驅體生長于泡沫鎳基底上，煅燒過程前驅體轉化為金屬氧化物Co3O4。制得的Co3O4@Ni納米線陣列具有較大的比表面積。并用RuO2修飾納米線電極來改善過渡金屬氧化物的導電性，在RuO2修飾之后，其形貌和結構也沒有明顯改變。低溫煅燒的過程造成了納米線的多孔結構和理想的比表面，這顯著增大了電解液與電極的接觸面積，為ORR和OER過程提供了更多的反應活性位點。另外，RuO2修飾之后導電性有所增強，有效改善了鋰空氣電池循環過程中放電電壓急劇下降的問題。此外，反應過程中生成帶缺陷弱晶型薄膜狀的放電產物，這些放電產物成為電導體而包覆于納米線表面，增大了反應的接觸面，減小了電荷轉移阻抗。在充電過程中，放電產物更容易分解，從而降低電池的充放電過電勢，使得鋰空氣電池的性能有所提高。具體地，所述泡沫鎳在進行步驟a之前先進行預處理，所述預處理包括：將泡沫鎳根據需要進行裁剪；用有機溶劑超聲浸泡5-7min，用去離子水沖洗后置于濃度為3-6M的HCl溶液超聲清洗15-20min；依次用無水乙醇、去離子水沖洗后干燥。具體地，所述步驟a包括：將Co鹽和尿素按摩爾比為1:3-4溶解于水中，獲得溶液一，其中，Co2+濃度為0.075-0.1mol/L；將溶液一轉反應釜中，放入泡沫鎳，密封，置于100-120℃下保持6-8h；自然冷卻反應釜，取出泡沫鎳，用水超聲清洗2-3次，烘干。具體地，所述步驟b包括：將負載Co3O4前驅體的泡沫鎳置于管式爐中，在空氣氛圍下升溫至300-400℃，保溫2-3h；所述升溫的速率為3-5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基底上生長Co

【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基底上生長Co3O4前驅體；b、在空氣中進行煅燒，將Co3O4前驅體轉化為Co3O4，形成Co3O4@Ni非碳正極；c、先將Ni負載Co3O4浸泡于RuCl3溶液中，然后在氬氣保護下進行高溫處理，獲得RuO2/Co3O4@Ni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，所述泡沫鎳在進行步驟a之前先進行預處理，所述預處理包括：將泡沫鎳根據需要進行裁剪；用有機溶劑超聲浸泡5-7min，用去離子水沖洗后置于濃度為3-6M的HCl溶液超聲清洗15-20min；依次用乙醇、水沖洗后干燥。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，所述步驟a包括：將Co鹽和尿素按摩爾比為1:3-4溶解于水中，獲得溶液一，其中，Co2+濃度為0.075-0.1mol/L；將溶液一轉反應釜中，放入泡沫鎳，密封，置于100-120℃下保持6-8h；自然冷卻反應釜，取出...

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