CN114566660A - 一种锌-空气电池用碳包覆氧化钴双功能催化剂的制备方法 - Google Patents

一种锌-空气电池用碳包覆氧化钴双功能催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种锌‑空气电池用碳包覆氧化钴双功能催化剂的制备方法属于材料制备领域。本发明采用飞秒激光加工技术，通过飞秒激光辐照在均匀涂抹有混合钴粉和N‑甲基吡咯烷酮组成的粘稠状分散体系的碳布上制备一种锌‑空气电池用碳包覆氧化钴双功能催化剂，具有快速高效，一步成形的特点。本发明作为锌‑空气电池正极催化剂的全电池循环性能优良。

Description

一种锌-空气电池用碳包覆氧化钴双功能催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种锌-空气电池用碳包覆氧化钴双功能催化剂的制备方法。
背景技术
能源作为人类社会存在和发展的物质基础，在人类社会向前发展的道路上是不可或缺的。进入新世纪以来，能源危机爆发、化石能源锐减、环境污染加剧，发展低成本且高效的能源技术迫在眉睫。锂离子电池在一定程度上缓解了能源与环境问题，但是随着锂储量日渐减少、锂价格节节攀升、此外，锂离子电池安全性不高，所以锂离子电池在大型应用市场的影响力逐渐降低。一种介于原电池和燃料电池之间的半燃料电池—金属-空气电池逐渐成为目前比较理想的能源转换和能源储存器件之一。其中，锌-空气电池由于其比容量高，成本低廉、制备简单、环境友好、安全性高和优秀的充放电性能等优势成为理想的金属-空气电池。
在锌空气电池中，空气电极是制约锌空气电池性能的关键因素，寻求高效率的阴极催化剂，是提升锌空气电池的充放电性能和可逆性的重要手段。目前常用的阴极催化剂材料以铂等贵金属为主，然而其价格昂贵，资源稀少，且铂催化剂的化学稳定性弱，催化耐久性差。相较于铂，用碳包覆氧化钴代替铂做电极催化剂具有高催化活性的潜力。另外，对催化剂的组成和催化剂微纳结构的构造，利用化学法创造酸/碱环境，目标催化剂进行改造是传统常用的方法。
常见的激光加工制备催化剂，采用液相加工，加工难度大，过程复杂。且使用纳米混合粉末涂敷辊压，无法使纳米粉末均匀分散，进而催化剂催化性能不稳定，影响电池的电化学性能；本发明利用飞秒激光辐照制备用碳包覆氧化钴双功能催化剂，环境友好、快速高效、一步成型，直接加工固体，得到一体式电极材料，可直接使用，简化了电极催化剂制备步骤，大大缩减了制备所需催化剂的时间成本，极大的提高了效率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明目的之一在于提供一种碳包覆氧化钴双功能催化剂。本发明的另一目的在于提供上述碳包覆氧化钴双功能催化剂的制备方法，区别于传统的化学法制备氧化钴催化剂，本发明利用激光加工制备碳包覆氧化钴双功能催化剂，环境友好无污染，制备全程无毒、安全，无需繁杂的化学处理步骤，快速高效、一步成形，一体化。
本发明技术的方案如下：
一种锌-空气电池用碳包覆氧化钴双功能催化剂的制备方法的方法步骤如下：
(1)称量50-500nm钴粉0.01-1.01g、0.01-10.01mL N-甲基吡咯烷酮，均加入烧杯，得到溶液A；
(2)搅拌溶液A，在球磨机中持续搅拌0.01-3.0h，转速为100-5000r/min，直至混合均匀得到均匀粘稠状分散体系B；
(3)在洁净的玻璃板上粘附一层疏水碳布，后用涂覆工具将B均匀涂覆在碳布上，在碳布上形成厚度为1-500μm的涂覆层；
(4)将步骤(3)得到的有涂覆层的碳布在50℃的恒温烘箱中烘干0.3-3h，直至液体完全挥发，得到干燥的碳布；
(5)用裁纸刀裁取步骤(4)中均匀涂层的碳布，粘在载玻片上；
(6)将(5)中载玻片置于三轴联动位移台上进行激光辐照加工，位移台加工速度为0.01-10mm/s，激光光源波长为800nm、脉宽为35fs、重复频率为1-1000Hz、功率为1-100mw，得到碳包覆氧化钴双功能催化剂；
(7)将步骤(6)得到碳布裁剪，作为锌-空气电池正极材料组装全电池测试电化学性能。
附图说明
图1：(a)碳包覆氧化钴双功能催化剂的扫描电镜能谱图。(b)碳包覆氧化钴双功能催化剂的Co元素分析图。(c)碳包覆氧化钴双功能催化剂的C元素分析图。
图2：碳包覆氧化钴双功能催化剂作为锌-空气电池正极催化剂的全电池充放电性能图。
图3碳包覆氧化钴双功能催化剂作为锌-空气电池正极催化剂的全电池循环时间图。
图4碳包覆氧化钴双功能催化剂的XRD图。
图5碳包覆氧化钴双功能催化剂作为锌-空气电池正极催化剂的全电池倍率性能图。
具体实施方式
结合附图，分别对步骤中的各个参数进行优选，具体实施案例如下：
实施案例1
(1)称量500nm钴粉0.8g、1mL N-甲基吡咯烷酮，均加入烧杯，得到溶液A；
(2)搅拌溶液A，在球磨机中持续搅拌0.5h，转速为2000r/min，直至混合均匀得到均匀粘稠状分散体系B；
(3)在洁净的玻璃板上粘附一层疏水碳布，后用涂覆工具将B均匀涂覆在碳布上，在碳布上形成厚度为50μm的涂覆层；
(4)将步骤(3)得到的有涂覆层的碳布在50℃的恒温烘箱中烘干0.3h，直至液体完全挥发，得到干燥的碳布；
(5)用裁纸刀裁取步骤(4)中均匀涂层的碳布，粘在载玻片上；
(6)将(5)中载玻片置于三轴联动位移台上进行激光辐照加工，位移台加工速度为0.1mm/s，激光光源波长为800nm、脉宽为35fs、重复频率为1000Hz、功率为20mw，得到碳包覆氧化钴双功能催化剂；
(7)将步骤(6)得到碳布裁剪，作为锌-空气电池正极材料组装全电池测试电化学性能。组装锌-空气全电池测试其充放电电化学性能，放电电压维持在2.07V。
实施案例2
(1)称量400nm钴粉0.5g、2mL N-甲基吡咯烷酮，均加入烧杯，得到溶液A；
(2)搅拌溶液A，在球磨机中持续搅拌0.5h，转速为1000r/min，直至混合均匀得到均匀粘稠状分散体系B；
(3)在洁净的玻璃板上粘附一层疏水碳布，后用涂覆工具将B均匀涂覆在碳布上，在碳布上形成厚度为50μm的涂覆层；
(4)将步骤(3)得到的有涂覆层的碳布在50℃的恒温烘箱中烘干0.3h，直至液体完全挥发，得到干燥的碳布；
(5)用裁纸刀裁取步骤(4)中均匀涂层的碳布，粘在载玻片上；
(6)将(5)中载玻片置于三轴联动位移台上进行激光辐照加工，位移台加工速度为0.1mm/s，激光光源波长为800nm、脉宽为35fs、重复频率为1000Hz、功率为25mw，得到碳包覆氧化钴双功能催化剂；
(7)将步骤(6)得到碳布裁剪，作为锌-空气电池正极材料组装全电池测试电化学性能。组装锌-空气全电池测试其充放电电化学性能，放电电压维持在2.1V。
实施案例3
(1)称量500nm钴粉0.5g、3mL N-甲基吡咯烷酮，均加入烧杯，得到溶液A；
(2)搅拌溶液A，在球磨机中持续搅拌1h，转速为2000r/min，直至混合均匀得到均匀粘稠状分散体系B；
(3)在洁净的玻璃板上粘附一层疏水碳布，后用涂覆工具将B均匀涂覆在碳布上，在碳布上形成厚度为50μm的涂覆层；
(4)将步骤(3)得到的有涂覆层的碳布在50℃的恒温烘箱中烘干0.3h，直至液体完全挥发，得到干燥的碳布；
(5)用裁纸刀裁取步骤(4)中均匀涂层的碳布，粘在载玻片上；
(6)将(5)中载玻片置于三轴联动位移台上进行激光辐照加工，位移台加工速度为0.1mm/s，激光光源波长为800nm、脉宽为35fs、重复频率为1000Hz、功率为30mw，得到碳包覆氧化钴双功能催化剂；
(7)将步骤(6)得到碳布裁剪，作为锌-空气电池正极材料组装全电池测试电化学性能。组装锌-空气全电池测试其充放电电化学性能，放电电压维持在2.05V。
实施案例4
(1)称量200nm钴粉0.7g、5mL N-甲基吡咯烷酮，均加入烧杯，得到溶液A；
(2)搅拌溶液A，在球磨机中持续搅拌1.5h，转速为2000r/min，直至混合均匀得到均匀粘稠状分散体系B；
(3)在洁净的玻璃板上粘附一层疏水碳布，后用涂覆工具将B均匀涂覆在碳布上，在碳布上形成厚度为20μm的涂覆层；
(4)将步骤(3)得到的有涂覆层的碳布在50℃的恒温烘箱中烘干0.3h，直至液体完全挥发，得到干燥的碳布；
(5)用裁纸刀裁取步骤(4)中均匀涂层的碳布，粘在载玻片上；
(6)将(5)中载玻片置于三轴联动位移台上进行激光辐照加工，位移台加工速度为0.1mm/s，激光光源波长为800nm、脉宽为35fs、重复频率为1000Hz、功率为15mw，得到碳包覆氧化钴双功能催化剂；
(7)将步骤(6)得到碳布裁剪，作为锌-空气电池正极材料组装全电池测试电化学性能。组装锌-空气全电池测试其充放电电化学性能，放电电压维持在2.13V。
实施案例5
(1)称量300nm钴粉0.5g、2mL N-甲基吡咯烷酮，均加入烧杯，得到溶液A；
(2)搅拌溶液A，在球磨机中持续搅拌0.5h，转速为2000r/min，直至混合均匀得到均匀粘稠状分散体系B；
(3)在洁净的玻璃板上粘附一层疏水碳布，后用涂覆工具将B均匀涂覆在碳布上，在碳布上形成厚度为50μm的涂覆层；
(4)将步骤(3)得到的有涂覆层的碳布在50℃的恒温烘箱中烘干0.5h，直至液体完全挥发，得到干燥的碳布；
(5)用裁纸刀裁取步骤(4)中均匀涂层的碳布，粘在载玻片上；
(6)将(5)中载玻片置于三轴联动位移台上进行激光辐照加工，位移台加工速度为2mm/s，激光光源波长为800nm、脉宽为35fs、重复频率为1000Hz、功率为35mw，得到碳包覆氧化钴双功能催化剂；
(7)将步骤(6)得到碳布裁剪，作为锌-空气电池正极材料组装全电池测试电化学性能。组装锌-空气全电池测试其充放电电化学性能，放电电压维持在2.09V。

Claims (4)

1.一种锌-空气电池用碳包覆氧化钴双功能催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称量50-500nm钴粉0.01-1.01g、0.01-10.01mL N-甲基吡咯烷酮，均加入烧杯，得到溶液A；
(2)搅拌溶液A，在球磨机中持续搅拌0.01-3.0h，转速为100-5000r/min，直至混合均匀得到均匀粘稠状分散体系B；
(3)在洁净的玻璃板上粘附一层疏水碳布，后用涂覆工具将B均匀涂覆在碳布上，在碳布上形成厚度为1-500μm的涂覆层；
(4)将步骤(3)得到的有涂覆层的碳布在50℃的恒温烘箱中烘干0.3-3h，直至液体完全挥发，得到干燥的碳布；
(5)用裁纸刀裁取步骤(4)中均匀涂层的碳布，粘在载玻片上；
(6)将(5)中载玻片置于三轴联动位移台上进行激光辐照加工，位移台加工速度为0.01-10mm/s，激光光源波长为800nm、脉宽为35fs、重复频率为1-1000Hz、功率为1-100mw，得到碳包覆氧化钴双功能催化剂。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)搅拌过程中转速是2000r/min，搅拌时间为0.5h。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)重复频率是1000Hz，功率是1-100mw。
4.按照权利要求1所述的方法所制备的碳包覆氧化钴双功能催化剂在锌-空气电池中的应用。
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Citations (1)

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CN110676470A (zh) * 2019-09-04 2020-01-10 清华大学 金属空气电池催化剂、空气电极及制备方法

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郝永超: ""钴碳纳米复合材料的设计合成及其在氧电催化领域中的应用"", 《中国博士学位论文全文数据库》, pages 43 - 44 *

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