一種鋰空氣電池催化劑及其制備方法
【專利說明】一種鋰空氣電池催化劑及其制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及光電子器件制備領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰空氣電池催化劑材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著城市的發(fā)展，人口大量遷移至城市，大量的汽車使城市的空氣質(zhì)量大幅下降。因此，鋰離子電池在汽車領(lǐng)域的運(yùn)用得到大規(guī)模的發(fā)展。但是，傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度并不高，而鋰空氣電池具有傳統(tǒng)鋰電池10倍的能量密度，因而成為研究熱點(diǎn)。同時(shí)其正極為O2，反應(yīng)過程中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有污染的物質(zhì)，是一種極具潛力的綠色高容量能源轉(zhuǎn)換器件，具備成為下一代電動(dòng)汽車的潛力。
[0004]通常鋰空電池的結(jié)構(gòu)有四部分組成:陽極、電解液、隔膜、陰極(空氣極)。在陰極，電池反應(yīng)產(chǎn)物和電解液分解產(chǎn)物沉淀在催化劑和碳材料表面，而又無法清除降低了催化性能，堵塞碳材料的孔隙影響了 02的擴(kuò)散。這使得鋰空氣電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能很差。
[0005]這就要求催化劑和碳材料具有較大的比表面積來保障材料的催化性能和O2的正常傳輸。目前研究主要集中在多孔碳材料、碳納米管、石墨烯等碳材料上面，但這些成本太高，不利于鋰空電池的發(fā)展。目前，有些專利改變材料形貌來增加材料的比表面積來提高鋰空氣電池的循環(huán)性能。中國專利申請(qǐng)?zhí)?01210420109.1公開了一種鈣鈦礦型鑭鍶鈷氧分級(jí)介孔納米線及其制備方法和應(yīng)用，其中將LSCO做成分級(jí)介空納米線來增加比表面積提高材料的催化效率。中國專利申請(qǐng)?zhí)?01310127877.2公開了一種鋰-空氣電池用電催化劑材料及其制備方法，其中采用靜電紡絲合成納米管來提高材料的活性和比表面積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種鋰空氣電池催化劑。
[0007]本發(fā)明要解決的另外一個(gè)技術(shù)問題是提供一種鋰空氣電池催化劑的制備方法。
[0008]本發(fā)明要解決的還有一個(gè)技術(shù)問題是提供一種鋰空氣電池催化劑在鋰空氣電池中的應(yīng)用。
[0009]對(duì)于鋰空氣電池催化劑，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種鋰空氣電池催化劑，為鈣鈦礦型鑭鍶鈷氧(LahSrxCoO3簡寫為LSC0)的納米顆粒與還原石墨烯復(fù)合物，包括納米LSCO顆粒；所述納米LSCO顆粒的直徑為15?30nm ;納米LSCO顆粒是吸附在石墨烯表面；所述石墨烯為hu_er法制得。
[0010]對(duì)于鋰空氣電池催化劑的制備方法，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括以下步驟:
(1)配制氧化石墨烯溶液:將40mg的氧化石墨分散至40ml去離子水中，攪拌Ih,超聲分散30min得到均勻分散液；
(2)按摩爾比La:Sr:Co=(l-x):x:l稱取鑭化合物、鍶化合物和鈷化合物溶在去離子水中均勻混合，制得離子總濃度為0.02?0.2mol/L的La3+、Sr2+、Co2+的水溶液；
(3)向所述水溶液中加入ImL濃度為5mol/L的CO(NH2)2，攪拌均勻，得到溶液A;
(4)在溶液A加入所述均勻分散液中，混合均勻后，倒入反應(yīng)釜中，140?200°C反應(yīng)，反應(yīng)5?20h，得到沉淀物B ;
(5)將所述沉淀物B洗滌過濾干燥后分散至40ml去離子水中，向其中加入Iml水合肼，攪拌混合均勻，再次進(jìn)行水熱反應(yīng)，在100?150°C反應(yīng)I?5h，自然冷卻至室溫，得到沉淀物C ;
(6)將所述沉淀物C用去離子水和乙醇反復(fù)洗滌后，在400?600°C下惰性氣氛中退火2?20h，得到鑭鍶鈷氧與還原石墨烯復(fù)合物，即產(chǎn)物。
[0011]作為優(yōu)選，步驟(2)中所述鑭化合物、鍶化合物和鈷化合物為硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物、醋酸鹽中一種或幾種混合物。
[0012]上述鋰空氣電池催化劑在鋰空氣電池中的應(yīng)用，將LSC0@rG0復(fù)合材料與PVDF按9:1的質(zhì)量比在吡咯烷酮中混合，并涂在鎳網(wǎng)上得到鋰空氣電池空氣電極。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
利用兩步水熱法結(jié)合退火處理合成LSCO納米顆粒和石墨烯復(fù)合材料,該材料中LSCO納米顆粒具有極大的比表面積，具有極高的催化性能，且較為均勻地吸附在石墨烯上可以提供一個(gè)非常好的02擴(kuò)散層和載荷傳輸介質(zhì)，減少催化劑的團(tuán)聚，因此具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，是一個(gè)良好的電催化材料，適合用于化學(xué)電源器件中的催化材料。合成方法具有陳本低廉、操作簡便、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所得LSCOOrGO的XRD圖譜；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所得LSCOOrGO的TEM圖譜；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1所得LSCOOrGO所得催化劑制備的鋰空氣電池的不同電流密度的首次放點(diǎn)圖譜；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例1所得LSC0@rG0所得催化劑制備的鋰空氣電池在100mA/g電流密度下在截止容量為1000mAh/g的循環(huán)放點(diǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明提供的鋰空氣電池用催化劑材料，該催化劑材料為鈣鈦礦型Lai_xSrxCO03m米顆粒與石墨烯的復(fù)合物，其中X可以為O?0.5的任意值。
[0017]實(shí)施例1
(1)配制氧化石墨烯溶液，將40mg的氧化石墨分散至40ml去離子水中，攪拌、超聲分散均勻；
(2)配制離子總濃度為0.05mol/L的La3+、Sr2+、Co2+的水溶液，其中La:Sr:Co=0.5:0.5:1 均勻混合；
(3)向(2)中加入ImL濃度為5mol/L的CO(NH2)2，攪拌均勻；
(4)將(3)加入(I)中，混合均勻后，倒入反應(yīng)釜中，160°C反應(yīng)，反應(yīng)1h； (5)將(4)中沉淀物洗滌過濾干燥后分散至40ml去離子水中，向其中加入Iml水合肼，攪拌混合均勻，再次進(jìn)行水熱反應(yīng)，在120°C反應(yīng)4h，自然冷卻至室溫；
(6)將(5)中的沉淀物用去離子水和乙醇反復(fù)洗滌后，在600°C下惰性氣氛中退火6h，得到鑭鍶鈷氧與還原石墨烯復(fù)合物，即產(chǎn)物。
[0018]鋰空氣電池的陰極制備:
將制備好的催化劑材料和Super P以3:7的比例研磨30 min,得到活性混合物；
將質(zhì)量為活性混合物的10%的PVDF溶解在質(zhì)量為活性混合物的3倍的吡咯烷酮中；將活性混合物加入到PVDF溶液中充分?jǐn)嚢韬?，得到均勻漿料，將該漿料用刷子刷在鎳網(wǎng)上，將其放在真空干燥箱中抽真空并加熱到120°C，保溫6h，所得到即為鋰空氣電池的陰極；
鋰空氣電池制備:以鋰片為陽極，以LiTFSI/DMSO為電解液制備鋰空氣電池；
所得電池在電流密度為100mA/g時(shí)首次放電容量達(dá)到4398mAh/g，電流密度為200mA/g時(shí)，首次放電容量達(dá)到4038mAh/g ；
所得電池在電流密度為100mA/g截止容量為1000mAh/g時(shí)，循環(huán)21次后才開始衰減。
[0019]實(shí)施例2
(1)配制氧化石墨烯溶液，將40mg的氧化石墨分散至40ml去離子水中，攪拌、超聲分散均勻；
(2)配制離子總濃度為0.02mol/L的La3+、Sr2+、Co2+的水溶液，其