CN105680058B - 一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法 - Google Patents

一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法，该材料由纳米稀土金属氧化物、贵金属、二氧化硅和二氧化钛通过球磨获得催化剂前体混合料，接着将混合料配制成溶液滴加到聚合物溶液中，通过静电纺丝技术制备获得催化剂前体/聚合物纳米纤维膜，然后热处理碳化制得一种金属空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。本发明制备的极催化剂大大提高了电池的比容量，有效提高了电池的能量转换效率和循环性能；并且本发明制备方法工艺简单，易于操作，重复性好，适于大规模工业化生产，具有极大的应用价值。

Description

一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法
技术领域
本发明属于空气电池材料制备领域，具体涉及一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法。
背景技术
能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础，近年来，随着经济的不断发展，必然引起石油资源的枯竭，全球变暖和环境污染的加剧。新能源，环境技术及节能减排技术的综合高效开发和利用已成为十分必要的课题，研究与开发高能量密度的电源体系和材料势在必行，研发容量更高的、环保友好的、可持续的新一代电池体系成为世界各国的科学家的共同追求。金属空气电池原材料丰富、性价比高、性能稳定，并且没有污染，因此，被称为“面向21世纪的绿色能源”。金属空气电池是以金属作为阳极，空气中的氧气作为阴极活性物质，碱性或中性水溶液作为电解液，空气中的氧气通过气体扩散电极(阴极)到达气-固-液三相界面与金属发生反应而放出电能。
锂空气电池是一种用锂（单质或合金）做阳极，以空气中的氧气（或纯氧）作为阴极反应物的电池。其理论比能量高达11140Wh/kg，是镍氢电池和锂离子电池体系能量密度的1-2个数量级，具有能量密度高、容易小型化和轻量化等优点，正日益引起世界各国研究者的重视。其中催化剂材料是空气电极的关键，决定着空气电极电化学反应的极化性质，对电池的电位、工作电位有决定性的影响。
发明内容
一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法，该方法包括如下步骤:
（1）将5～15%的纳米稀土金属氧化物，5～20%的纳米贵金属，25～50%的二氧化钛，15～65%的二氧化硅于球磨机中，进行高能球磨，期间分多次加入总量为1～3%的液体石蜡，充分混合均匀后得到催化剂前体混合料，且混合时间不少于5 h；
（2）将上述混合料加入到N,N-二甲基甲酰胺中，浓度为1～5%，超声分散 3～5h后，得到分散均匀的催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液；
（3）将聚丙烯腈加入到N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的复合溶剂中，在温度T=60～80℃下搅拌溶解，制得浓度为8～12%的聚丙烯腈溶液；
（4）在搅拌条件下，将催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液按1:（5～15）的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出催化剂前体/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为15～30kV，温度为25℃，相对湿度为40%，纺丝距离为15～25cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5～1.0mL/h；
（5）将制得聚丙烯腈复合纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体气氛保护下，由室温以5～10℃/min 的速率升温至800～1000℃，在最高温时保温4-6h，然后随炉冷却即获得锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。
上述方法中步骤（1）中所述的稀土金属氧化物为氧化钇、氧化镧、氧化铈、氧化镓中的一种或几种。
上述方法中步骤（1）中所述的贵金属为金、钌、铑、钯、锇、铱、铂中的一种或几种。
上述方法中步骤（3）中所述的N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的质量比为7:3～9:1。
本发明具有如下有益效果：（1）本发明加入稀土金属氧化物，可达到与贵金属催化剂相媲美的催化效果，从而有效减少贵金属的量，降低了催化剂的成本；（2）本发明制备的极催化剂大大提高了电池的比容量，有效提高了电池的能量转换效率和循环性能；（3）本发明制备方法工艺简单，易于操作，重复性好，适于大规模工业化生产，具有极大的应用价值。
具体实施方式
实施例1
（1）将5%的纳米氧化钇，5%的纳米金粉，25%的二氧化钛，65%的二氧化硅于球磨机中，进行高能球磨，期间分多次加入总量为1%的液体石蜡，充分混合均匀后得到催化剂前体混合料，且混合时间不少于5 h；
（2）将上述混合料加入到N,N-二甲基甲酰胺中，浓度为1%，超声分散 3～5h后，得到分散均匀的催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液；
（3）将聚丙烯腈加入到质量比为7:3的N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为8%的聚丙烯腈溶液；
（4）在搅拌条件下，将催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液按1:5的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出催化剂前体/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为15kV，温度为25℃，相对湿度为40%，纺丝距离为20 cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（5）将制得聚丙烯腈复合纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体气氛保护下，由室温以5℃/min 的速率升温至800℃，在最高温时保温4h，然后随炉冷却即获得锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。
实施例2
（1）将10%的纳米氧化钇，5%的纳米金粉，30%的二氧化钛，55%的二氧化硅于球磨机中，进行高能球磨，期间分多次加入总量为1%的液体石蜡，充分混合均匀后得到催化剂前体混合料，且混合时间不少于5 h；
（2）将上述混合料加入到N,N-二甲基甲酰胺中，浓度为2%，超声分散 3～5h后，得到分散均匀的催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液；
（3）将聚丙烯腈加入到质量比为7:3的N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为8%的聚丙烯腈溶液；
（4）在搅拌条件下，将催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液按1:5的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出催化剂前体/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为15kV，温度为25℃，相对湿度为40%，纺丝距离为20 cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（5）将制得聚丙烯腈复合纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体气氛保护下，由室温以5℃/min 的速率升温至800℃，在最高温时保温4h，然后随炉冷却即获得锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。
实施例3
（1）将10%的纳米氧化铈，5%的纳米钌粉，35%的二氧化钛，50%的二氧化硅于球磨机中，进行高能球磨，期间分多次加入总量为1.5%的液体石蜡，充分混合均匀后得到催化剂前体混合料，且混合时间不少于5 h；
（2）将上述混合料加入到N,N-二甲基甲酰胺中，浓度为2%，超声分散 3～5h后，得到分散均匀的催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液；
（3）将聚丙烯腈加入到质量比为7:3的N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为8%的聚丙烯腈溶液；
（4）在搅拌条件下，将催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液按1:5的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出催化剂前体/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为15kV，温度为25℃，相对湿度为40%，纺丝距离为20 cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（5）将制得聚丙烯腈复合纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体气氛保护下，由室温以5℃/min 的速率升温至800℃，在最高温时保温4h，然后随炉冷却即获得锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。
实施例4
（1）将10%的纳米氧化铈，5%的纳米钌粉，35%的二氧化钛，50%的二氧化硅于球磨机中，进行高能球磨，期间分多次加入总量为1.5%的液体石蜡，充分混合均匀后得到催化剂前体混合料，且混合时间不少于5 h；
（2）将上述混合料加入到N,N-二甲基甲酰胺中，浓度为3%，超声分散 3～5h后，得到分散均匀的催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液；
（3）将聚丙烯腈加入到质量比为8:2的N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为10%的聚丙烯腈溶液；
（4）在搅拌条件下，将催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液按1:5的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出催化剂前体/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为15kV，温度为25℃，相对湿度为40%，纺丝距离为20 cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（5）将制得聚丙烯腈复合纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体气氛保护下，由室温以5℃/min 的速率升温至800℃，在最高温时保温4h，然后随炉冷却即获得锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。
实施例5
（1）将15%的纳米氧化镧，5%的纳米钌粉，35%的二氧化钛，45%的二氧化硅于球磨机中，进行高能球磨，期间分多次加入总量为1.5%的液体石蜡，充分混合均匀后得到催化剂前体混合料，且混合时间不少于5 h；
（2）将上述混合料加入到N,N-二甲基甲酰胺中，浓度为3%，超声分散 3～5h后，得到分散均匀的催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液；
（3）将聚丙烯腈加入到质量比为8:2的N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为10%的聚丙烯腈溶液；
（4）在搅拌条件下，将催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液按1:10的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出催化剂前体/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为20kV，温度为25℃，相对湿度为40%，纺丝距离为20 cm，喷丝头纺丝溶液的流速为1mL/h；
（5）将制得聚丙烯腈复合纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体气氛保护下，由室温以5℃/min 的速率升温至800℃，在最高温时保温4h，然后随炉冷却即获得锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。
实施例6
（1）将10%的纳米氧化镓，5%的纳米钌粉，35%的二氧化钛，50%的二氧化硅于球磨机中，进行高能球磨，期间分多次加入总量为1.5%的液体石蜡，充分混合均匀后得到催化剂前体混合料，且混合时间不少于5 h；
（2）将上述混合料加入到N,N-二甲基甲酰胺中，浓度为3%，超声分散 3～5h后，得到分散均匀的催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液；
（3）将聚丙烯腈加入到质量比为8:2的N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为10%的聚丙烯腈溶液；
（4）在搅拌条件下，将催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液按1:10的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出催化剂前体/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为20 kV，温度为25℃，相对湿度为40%，纺丝距离为20 cm，喷丝头纺丝溶液的流速为1mL/h；
（5）将制得聚丙烯腈复合纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体气氛保护下，由室温以10℃/min 的速率升温至900℃，在最高温时保温5h，然后随炉冷却即获得锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法，其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)将5～15％的纳米稀土金属氧化物，5～20％的纳米贵金属，25～50％的二氧化钛，15～65％的二氧化硅于球磨机中，进行高能球磨，期间分多次加入总量为1～3％的液体石蜡，充分混合均匀后得到催化剂前体混合料，且混合时间不少于5h；
(2)将上述混合料加入到N,N-二甲基甲酰胺中，浓度为1～5％，超声分散3～5h后，得到分散均匀的催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液；
(3)将聚丙烯腈加入到N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的复合溶剂中，在温度T＝60～80℃下搅拌溶解，制得浓度为8～12％的聚丙烯腈溶液；
(4)在搅拌条件下，将催化剂前体N,N-二甲基甲酰胺溶液按1:(5～15)的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出催化剂前体/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：纺丝电压为15～30kV，温度为25℃，相对湿度为40％，纺丝距离为15～25cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5～1.0mL/h；
(5)将制得聚丙烯腈复合纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体气氛保护下，由室温以5～10℃/min的速率升温至800～1000℃，在最高温时保温4-6h，然后随炉冷却即获得锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料。
2.根据权利要求1所述的一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的稀土金属氧化物为氧化镧、氧化铈中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的贵金属为金、钌、铑、钯、锇、铱、铂中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种锂空气电池用阴极纳米复合催化剂材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的N,N-二甲基甲酰胺和氯仿的质量比为7:3～9:1。
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