本發明專利技術公開了一種鋰空氣電池用微納結構正極材料。所述正極材料為中空多孔復合纖維，是由用于鋰空氣電池正極反應的催化劑納米顆粒，與中空構造的長度為微米級的碳纖維載體復合而成；所述碳纖維管壁由多個納米孔洞構成，且孔洞間相互貫通，催化劑納米顆粒分散負載在所述的碳纖維管壁表面及其孔洞內。制備的正極材料能提供充足的活性物質反應場所，同時管壁形成的多孔結構增加了活性物質的反應活性，管內的中空結構又保證了氧氣的輸運通道暢通。本發明專利技術提供的正極材料具有管內中空、管壁多孔的結構，且與納米級催化劑復合，形成微納結構復合正極材料，兼具優良的導電性能，可有效提高鋰空氣電池的充放電容量，降低充放電極化，提高鋰空氣電池的大倍率性能和功率密度，減小電池內阻，是一種理想的正極材料。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于新能源領域，涉及一種鋰空氣電池用微納結構正極材料。
技術介紹
隨著人類社會的發展，能源短缺、環境污染等問題的日益突出，人們對化學電源的認識和要求也越來越高，促使人們不斷探索新的化學電源為主的能量儲存系統。近幾十年來，以金屬鋰為基礎的電池引領了高性能化學電源的發展方向。隨著鋰離子電池的成功商業化，世界各國都在加緊開展車用鋰離子動力電池的研究。但由于能量密度、安全性、價格等因素，常規鋰離子電池作為動力源無法滿足電動汽車的要求。 鋰空氣電池是一種以鋰金屬為負極，空氣(氧氣)作為正極活性物質的電池。放電過程負極中的鋰釋放電子后變為鋰離子，鋰離子穿過電解質，在正極與氧氣以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰或者過氧化鋰，并留在正極。充電過程通過外電路導線提供電子，鋰離子由正極穿過電解質到達負極表面，在負極表面發生反應生成金屬鋰，氧離子反應生成氧，產生的電子供應給導線。鋰空氣電池中氧化I千克金屬鋰可放出11680Wh的能量，是鋅空氣電池的八倍，媲美于石油的13000Wh/Kg，而正極反應物氧氣又是從環境中獲取，無需儲存。因此，鋰空氣電池以其高的比容量和比能量、對環境友好、易小型化和輕量化等特性而成為目前備受關注的能量轉換體系，也被認為是下一代動力汽車的首選動力源。目前制約鋰空氣電池發展的主要問題有放電過程中產物不溶于有機電解液，易在正極沉積，堵塞氧氣的傳輸通道和充放電過程中嚴重極化。理論上來說，鋰空氣電池的總體容量與能量密度，只受金屬鋰的量限制。然而由于放電產物過氧化鋰在有機電解液中溶解度很低，沉積在空氣電極表面，堵塞了載體材料的孔道，阻絕了氧氣與電解液的接觸，使得放電終止，電池的容量發揮大打折扣。而催化劑雖然不參與電池反應，但決定了電池的充放電電壓和充放電效率，還會影響電池的可逆性。開發和設計新型的空氣正極載體材料以高效復合催化劑，對鋰空氣電池的發展有著深遠的意義。目前，鋰空氣電池的空氣正極一般選用碳材料作為催化劑載體。為了提高鋰空氣電池正極的比表面積及其利用率，改善電池的容量發揮，研究者選擇不同結構的碳材料來負載催化劑，從而開展對鋰空氣電池的研究。夏永姚等(電化學通訊“ElectrochemistryCommunications” 11 (2009) 1127-1130)提出以有序介孔碳(MCF-F)作為載體，認為反應時放電產物不會在微孔堆積，中孔的增加有利于提升正極的容量發揮，但這種結構材料比表面積較低，僅為824m2/g，負載催化劑后效果發揮不理想。Zhang G. Q.等(電化學協會期刊 “Journal of The Electorchemical Society” 157 (2010) A953-A956)以碳紙(SWNT/CNF)作為載體，在0. ImA/cm2電流密度下，當空氣電極較薄時，放電容量達到2500mAh/g，當空氣電極較厚時，放電產物堵塞氧氣擴散通道現象依然存在，直接導致放電容量的降低；LiJiaxin 等(電化學通訊 “Electrochemistry Communications” 13 (2011) 698-700)以碳納米管作為載體，以浸潰法負載MnO2催化劑，放電容量提升到1768mAh/g，充電平臺有所降低，由于碳管團聚纏繞嚴重，催化劑與碳管不能均勻復合，催化劑顆粒尺寸較大，不能發揮很好的電化學性能；Zhou Haoshen (美國化學協會“ACS Nano” 5 (2011) 3020-3026)等以石墨烯為載體，不僅放電容量得到了很大的提升，同時由于石墨烯特定的微結構而具有較高的反應活性，表現出很好的催化效果，但是石墨烯復雜的合成工藝和昂貴的造價阻礙其在鋰空氣電池中的推廣和應用。中國專利CN 102208653A公開了以共軛導電聚合物為載體的空氣正極材料，雖然具有高比表面積和良好的導電性，仍會出現產物局部堵塞氧氣擴散通道的情況。綜上所述，本領域迫切需要開發一種能高效地復合催化劑，同時有效改善放電產物堵塞氧氣擴散通道，具有高反應活性，低電極極化，且易獲得的鋰空氣電池正極材料。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種鋰空氣電池用微納結構正極材料，在能夠提高空氣正極比容量的同時保證氧氣擴散通道的暢通，納米級催化劑的均勻分布使得正極材料具有高 的反應活性，降低充放電電位差從而降低電極極化。本專利技術一種鋰空氣電池用微納結構正極材料為中空多孔復合纖維，是由用于鋰空氣電池正極反應的催化劑納米顆粒，與中空構造的長度為微米級的碳纖維載體復合而成；所述碳纖維管壁由多個納米孔洞構成，且多個納米孔洞間相互貫通，催化劑納米顆粒分散負載在所述的碳纖維管壁表面及多個納米孔洞內。本專利技術的中空構造即為貫穿整個碳纖維長度方向的中空孔道。在本專利技術中，管壁豐富的孔分布能提供充足的正極反應和放電產物堆積所需場所，管內中空孔道能保證氧氣擴散的暢通。本專利技術中，所述的多孔中空碳纖維的外徑為20nm 10 μ m，內外徑比為1/4 1/10。長度為I μ m 1000 μ m。優選的碳纖維為外徑為50nm I μ m,長度為2 μ m 20 μ m。本專利技術中，所述碳纖維的管壁上的納米孔洞包括有50nm IOOnm孔徑的大孔、2nm 50nm孔徑的中孔、小于2nm孔徑的微孔。本專利技術中，所述的載體碳纖維的由于具有多個豐富的三維空間的納米孔洞，因而其比表面積為300m2/g-2000m2/g。本專利技術中，所述催化劑占到正極材料重量含量為2% 40%。本專利技術中，所述的催化劑為金屬單質Pt、Au、Ag、Co、V、Pd、Mo、Ni,金屬氧化物Μη02、Co304、Fe203、V205、Ni0，金屬復合氧化物尖晶石型、鈣鈦礦型，過渡金屬有機螯合物MoN3中的一種或幾種。本專利技術中，所述的催化劑與碳纖維復合方式為原位生成、化學氣相沉積、浸潰法以及物理蒸鍍中的一種或幾種。本專利技術由于采用管壁多孔、管內中空的類絲瓜瓤結構層次多孔中空碳纖維，管壁表面及其納米孔洞內均勻負載納米級催化劑顆粒，形成一種微納結構復合正極材料作為鋰空氣電池正極。既擁有高的比表面積提供充足的反應場所，同時納米級催化劑在碳纖維管壁內的均勻分布，能有效提高材料的反應活性，中空的管結構又能保證氧氣的擴散，兼具優良的導電性，能有效提高電極放電容量、改善充放電極化以及電池的倍率性能和功率密度。本專利技術所述催化劑既可在碳纖維成型過程中與催化劑原位復合，又可在碳纖維成型后加入。本專利技術中，所述的催化劑為納米級顆粒，均勻負載在碳纖維管壁表面及其納米孔洞內，形成一種微納結構復合材料。 本專利技術所述的材料可以由靜電紡絲法、氣相催化沉積法、模板聚合和相分離等方法獲得。如采用靜電紡絲法、氣相催化沉積法、模板聚合或相分離法制備中空碳纖維；將所得中空碳纖維進行活化處理，獲得管壁多孔的層次多孔中空碳纖維；再將所得載體與催化劑復合。本專利技術的材料的一種具體制備步驟包括(I)將高碳聚合物溶于有機溶劑中，加熱攪拌形成聚合物膠體溶液。在溶液中加入 催化劑的前驅體，攪拌均勻，獲得紡絲原液；(2)紡絲原液經過靜電紡絲獲得中空復合原絲；(3)中空復合原絲經低溫預處理，制得熱穩定好的碳纖維/催化劑前驅體中空復合纖維。(4)在一定氣氛下對復合纖維中催化劑前驅體高溫(500°C 1000°C )處理，制得碳纖本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種鋰空氣電池用微納結構正極材料，其特征在于，所述正極材料為中空多孔復合纖維，是由用于鋰空氣電池正極反應的催化劑納米顆粒，與中空構造的長度為微米級的碳纖維載體復合而成；所述碳纖維管壁由多個納米孔洞構成，且多個納米孔洞間相互貫通，催化劑納米顆粒分散負載在所述的碳纖維管壁表面及其孔洞內。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：張治安，賴延清，彭彬，周耿，鄧兆豐，盧海，賈明，劉晉，李劼，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。