CN104183853A - 一种提高锂空气电池空气电极性能的方法 - Google Patents

一种提高锂空气电池空气电极性能的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104183853A
CN104183853A CN201410441981.3A CN201410441981A CN104183853A CN 104183853 A CN104183853 A CN 104183853A CN 201410441981 A CN201410441981 A CN 201410441981A CN 104183853 A CN104183853 A CN 104183853A
Authority
CN
China
Prior art keywords
air electrode
lithium
battery performance
air battery
collector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410441981.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104183853B (zh
Inventor
尹鸽平
钱正义
左朋建
杜春雨
杜磊
高云智
程新群
马玉林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201410441981.3A priority Critical patent/CN104183853B/zh
Publication of CN104183853A publication Critical patent/CN104183853A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104183853B publication Critical patent/CN104183853B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8817—Treatment of supports before application of the catalytic active composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

一种提高锂空气电池空气电极性能的方法，包括如下步骤：将集流体放入管式炉中，在保护气氛下进行热处理，得到经改性处理的集流体，将其用于锂空气电池空气电极。经改性处理后的某些集流体自身即可直接作为空气电极，或者将载体均匀涂覆在经改性处理的集流体表面作为空气电极，或者将载体材料涂覆在集流体表面后再进行改性处理，形成一种含改性后空气电极的非水体系锂空气电池。本发明通过简单可控的工艺，即主要通过直接对空气电极集流体进行热处理，即可提高非水体系锂空气电池空气电极的性能，能够有效提高放电平台，尤其是降低充电过电位，大幅提高充放电效率，进而提高其循环稳定性。

Description

一种提高锂空气电池空气电极性能的方法
技术领域
本发明属于电化学电源领域，涉及一种非水体系锂空气电池空气电极的改性方法。
背景技术
随着能源及环境问题的日趋严重，电动汽车产业的蓬勃发展，然而由于现有化学电源系统续航能力的不足，很大程度上限制了电动汽车的实际应用。锂空气电池由于超高的能量密度而成为当前能源领域的研究热点，其能量密度远高于传统的锂离子电池，虽然理论比能量稍低于汽油，然而由于其效率不受热机卡诺循环最大效率的限制，其能量转化率因此远高于汽油。另一方面，由于锂空气电池正极活性物质为氧气，且基体材料也不含重金属，因此价格低廉，绿色环保。对于非水体系锂空气电池，正极主要放电产物Li2O2等可以可逆地生成分解，因此若能提高循环性能，便可成功开发可充式锂空气电池，无疑具有更加广阔的应用前景。
然而锂空气电池目前研究还处于起步阶段，仍然面临诸多亟待解决的问题，如充放电效率过低，充电过电位过高，电解液及空气电极的稳定性，锂负极的保护等。非水体系锂空气电池中，放电过程中氧还原（oxygen reduction reaction，ORR）是一个缓慢的过程，充电过程中Li2O2等产物的分解即氧气析出（oxygen evolution reaction，OER）动力学过程也很缓慢，因此想法设法提高充放电动力学过程，对于提高锂空气电池的性能至关重要。目前大部分研究都集中在寻找有效的催化剂，以及优化电极结构，但放电平台及充电过电位、充放电库伦效率、循环性能等仍需要进一步改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高锂空气电池空气电极性能的方法，其工艺简单可控，可有效提高锂空气电池的充放电效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种提高锂空气电池空气电极性能的方法，通过对空气电极集流体进行改性处理或在其上涂覆载体材料或在其上直接沉积金属或其氧化物后进行改性处理，具体步骤如下：
将集流体放入管式炉中，在保护气氛下进行热处理，控制热处理温度为100-600℃，热处理时间为1-5h，升温速率为1-15℃/min，得到经改性处理的集流体，将其用于锂空气电池空气电极。
本发明中，所述集流体选自碳纸、碳布、泡沫镍、泡沫铜、镍网、钛网或铁网。
本发明中，所述热处理改性方法在空气、氧气、氮气或惰性气体气氛中进行。
本发明中，经改性处理后的某些集流体自身即可直接作为空气电极。
本发明中，将载体均匀涂覆在经改性处理的集流体表面作为空气电极，形成一种含改性后空气电极的非水体系锂空气电池，或者在涂覆载体材料后的集流体上直接沉积金属或其氧化物，沉积载量为0.1-10mg/cm-2。本发明中，经改性处理过的集流体上直接沉积金属或其氧化物作为空气电极，所述金属为铂、铱、钌、钯、镍、钴、铁、铜、锰、钼、金、铑、银、铈中的一种或多种，沉积载量：0.1-10mg/cm-2，或者在沉积后的集流体表面涂覆载体材料。
本发明中，所述将载体材料涂覆在集流体表面，其主要制备步骤如下：
1）按照质量百分比为80-95%载体材料和5-20%粘结剂PTFE的比例将载体材料和粘结剂PTFE分散在乙醇溶液中，在100-200W的功率下超声分散1-2h。
2）之后在50-80℃水浴下，使乙醇全部蒸发，得到粘稠状的混合浆料。 
3）将上述浆料在研钵中充分研磨0.5-1h，然后手工滚压或机械成膜。
4）将所得膜和集流体或改性处理后的集流体冷压或热轧到一起，即得所述空气电极。
本发明的优点在于：
（1）通过简单可控的工艺，即主要通过直接对空气电极集流体进行热处理，即可提高非水体系锂空气电池空气电极的性能，能够有效提高放电平台，尤其是降低充电过电位，大幅提高充放电效率，进而提高其循环稳定性。
（2）经改性处理的碳纸基空气电极放电平台最高可提高0.08V，充电过电位降低明显；经改性处理的泡沫镍基空气电极，限容200mAh g-1，电流密度0.1mA cm-2下，放电平台约2.73V，充电电位仅截止在3.65V，大幅降低了过电位。
附图说明
图1为实施例2中经10℃/min的升温速率，550℃下热处理2h的碳纸与未经改性处理的碳纸，在电流密度0.1mA cm-2，限容0.31mAh条件下，首次充放电性能比较。
图2为实施例3中经10℃/min的升温速率，500℃下热处理1h的泡沫镍基体XRD图谱。
图3为实施例3中以改性处理的泡沫镍为集流体涂覆科琴黑后制备的空气电极，在电流密度0.1mA cm-2，限容200mAh g-1条件下，首次充放电曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
将日本Toray公司商用碳纸，裁剪成32mm×64mm规格，依次用丙酮、去离子水、乙醇分别清洗30min，之后在鼓风干燥箱中烘干，取出备用。将上述碳纸放入管式炉中，在空气氛下，经10℃/min的升温速率，450℃下热处理2h，冷却至室温后，用冲片机冲成直径14mm的圆形极片。将上述经热处理后的圆形极片直接用作空气电极，组装2025型扣式锂空气电池，依次将钢垫片、锂片、玻璃纤维隔膜、空气电极放入负极壳中，然后加入几滴有机电解液使隔膜充分浸润，然后在放入含孔的正极壳，在500psi的压力下进行封装即可。
经此工艺改性处理的碳纸在电流密度0.1mA cm-2，限容0.31mAh下，放电平台略有增加，而充电电位则降低了约0.146V。
实施例2：
将日本Toray公司商用碳纸，裁剪成32mm×64mm规格，依次用丙酮、去离子水、乙醇分别清洗30min，之后在鼓风干燥箱中烘干，取出备用。将上述碳纸放入管式炉中，在空气氛下，经10℃/min的升温速率，550℃下热处理2h，冷却至室温后，用冲片机冲成直径14mm的圆形极片，之后按照实施例1中所述组装锂空气电池。
图1为经10℃/min的升温速率，550℃下热处理2h的碳纸与未经改性处理的碳纸0.1mA cm-2，限容0.31mAh下，首次充放电性能比较。从中可以看出550℃下热处理的碳纸极片，放电平台约提高了0.08V，充电过电位降低尤为明显。
实施例3：
将泡沫镍基体依次用丙酮，去离子水，乙醇分别清洗30min，60℃下真空干燥，冷去至室温后取出备用。将上述泡沫镍基体放在管式炉中，以10℃/min的升温速率，500℃下热处理1h，冷去至室温后，用冲片机冲成直径14mm的圆形镍片。将科琴黑和PTFE粘结剂按80:20的质量百分比溶解在乙醇溶液中，充分超声分散，然后在80℃水浴下蒸发乙醇，得到粘稠状混合浆料。将上述浆料擀压成膜，然后将其和热处理的泡沫镍基体在8MPa的压力下，常温下压到一起即得到改性处理的空气电极。之后按照实施例1所述组装锂空气电池。
图2为经过热处理改性的泡沫镍基底的XRD图谱，从中可以看出经热处理后出现了NiO的峰，可作为锂空气电池空气电极催化剂。
图3为以改性处理的泡沫镍为集流体组装的锂空气电池充放电曲线。测试条件为：限容200mAh g-1，电流密度0.1mA cm-2。结果显示：经改性后的空气电极放电平台约2.73V，充电电位仅截止在3.65V，大幅降低了过电位。

Claims (10)

1.一种提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
将集流体放入管式炉中，在保护气氛下进行热处理，得到经改性处理的集流体，将其用于锂空气电池空气电极。
2.根据权利要求1所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述热处理温度为100-600℃，热处理时间为1-5h，升温速率为1-15℃/min。
3.根据权利要求1所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述集流体进入管式炉之前，在其上涂覆载体材料。
4.根据权利要求1所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述集流体选自碳纸、碳布、泡沫镍、泡沫铜、镍网、钛网或铁网。
5.根据权利要求1所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述热处理改性方法在空气、氧气、氮气或惰性气体气氛中进行。
6.根据权利要求1所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述方法还包括如下步骤：在改性处理后的集流体表面涂覆载体材料。
7.根据权利要求6所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述方法还包括如下步骤：在涂覆载体材料后的集流体上直接沉积金属或其氧化物，沉积载量为0.1-10mg/cm-2。
8.根据权利要求1所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述方法还包括如下步骤：在改性处理后的集流体上直接沉积金属或其氧化物，沉积载量为0.1-10mg/cm-2。
9.根据权利要求8所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述方法还包括如下步骤：在沉积后的集流体表面涂覆载体材料。
10.根据权利要求7或8所述的提高锂空气电池空气电极性能的方法，其特征在于所述金属为铂、铱、钌、钯、镍、钴、铁、铜、锰、钼、金、铑、银、铈中的一种或多种。
CN201410441981.3A 2014-09-02 2014-09-02 一种提高锂空气电池空气电极性能的方法 Active CN104183853B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410441981.3A CN104183853B (zh) 2014-09-02 2014-09-02 一种提高锂空气电池空气电极性能的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410441981.3A CN104183853B (zh) 2014-09-02 2014-09-02 一种提高锂空气电池空气电极性能的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104183853A true CN104183853A (zh) 2014-12-03
CN104183853B CN104183853B (zh) 2017-05-03

Family

ID=51964733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410441981.3A Active CN104183853B (zh) 2014-09-02 2014-09-02 一种提高锂空气电池空气电极性能的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104183853B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106887610A (zh) * 2017-05-04 2017-06-23 西安科技大学 一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料及其在锂空气电池正极中的应用
CN113667909A (zh) * 2021-08-19 2021-11-19 西北工业大学 一种用t2紫铜制备亲锂铜集流体材料的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102787259A (zh) * 2012-07-12 2012-11-21 苏州有色金属研究院有限公司 锂离子电池正极集流体用铝合金箔及其制造方法
CN103199271A (zh) * 2013-04-02 2013-07-10 胡国良 钒电池电极的处理方法
CN103346334A (zh) * 2013-07-05 2013-10-09 中南大学 一种MnxCe1-xO2纳米粒子的应用方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102787259A (zh) * 2012-07-12 2012-11-21 苏州有色金属研究院有限公司 锂离子电池正极集流体用铝合金箔及其制造方法
CN103199271A (zh) * 2013-04-02 2013-07-10 胡国良 钒电池电极的处理方法
CN103346334A (zh) * 2013-07-05 2013-10-09 中南大学 一种MnxCe1-xO2纳米粒子的应用方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KI JAE KIM ET AL: "The effects of surface modification on carbon felt electrodes for use in vanadium redox flow batteries", 《MATERIALS CHEMISTRY AND PHYSICS》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106887610A (zh) * 2017-05-04 2017-06-23 西安科技大学 一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料及其在锂空气电池正极中的应用
CN106887610B (zh) * 2017-05-04 2020-02-18 西安科技大学 一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料的制备方法
CN113667909A (zh) * 2021-08-19 2021-11-19 西北工业大学 一种用t2紫铜制备亲锂铜集流体材料的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104183853B (zh) 2017-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107768620B (zh) 一种具有异质结结构的碳纳米纤维、二硫化锡、二氧化锡和硫复合材料的制备方法及应用
CN104218248B (zh) 一种双功能负极及其作为全钒液流储能电池负极的应用
WO2017049466A1 (zh) 复合电极材料、其制备方法及其在全钒液流电池中的应用
CN103985923B (zh) 准固态电解质pva‑锌‑空气电池
CN110729528B (zh) 一种太阳能辅助的具有低充电电位的可充电锌空电池
CN108134141B (zh) 一种无隔膜静态锌溴电池
CN103151543A (zh) 一种用于锂空气电池的Mn-M/MOFs催化剂及制备方法
CN105047905A (zh) 一种富镍正极材料的表面改性方法
CN102983368B (zh) 高温镍氢动力电池的制备方法
CN107871917A (zh) 一种中性溶液中的锌‑空气电池及其制造方法
CN110828799A (zh) 一种水系锌离子电池MnOx@C正极材料及其制备方法
CN114725405B (zh) 一种负载钴铁核壳结构的复合碳纳米颗粒的制备及应用
CN109908905A (zh) 一种制备金属/金属氧化物复合电催化剂的方法
CN103043659A (zh) 一种改性活性炭的制备方法
CN103545537A (zh) 锂空气电池阴极用双钙钛矿结构催化剂材料及其制备方法
CN114628696B (zh) 一种多孔碳载钴基双功能氧催化剂的制备方法
CN102764647A (zh) 钙钛矿型结构金属氧化物催化剂及其制备方法
CN113299873B (zh) 一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法
CN108878905B (zh) 一种铜磁集流体及其制备工艺和包含其的磁性锂空电池
CN106450482A (zh) 一种全固态软包锂离子电池制作方法
CN104183853A (zh) 一种提高锂空气电池空气电极性能的方法
CN106887610B (zh) 一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料的制备方法
WO2018166443A1 (zh) 电燃料储能系统及方法
CN101716504B (zh) 导电聚合物修饰的碳载锰基复合物催化剂的制备方法
CN107425181A (zh) 一种氧化锰/淀粉基硬碳复合负极材料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant