碳基催化剂及其制备方法和应用、电池阴极和锂空气电池与流程

本申请涉及碳基复合材料和新能源，特别是涉及一种碳基催化剂及其制备方法和应用、电池阴极和锂空气电池。

背景技术：

1、锂空气电池是以锂金属作为负极，以空气(多为氧气、二氧化碳、氮气)作为正极反应物的半开放式电池结构体系，充放电过程基于正极区发生的氧气还原(orr)和氧气析出(oer)反应。锂空气电池拥有极高的理论比能量(3500wh/kg)，兼具工作电压高(理论放电电压2.96v，vs li/li+)、低碳可持续等优点，被认为是锂离子电池最有希望的替代者。当今，锂空气电池的反应机理、正极催化剂、新型电解液和锂负极保护等方面已取得了重大进展，然而传质效率低、反应动力学缓慢、副反应复杂、电解液分解、阴极腐蚀等导致锂空气电池能量效率低、循环寿命短以及倍率性能差等问题，严重抑制了锂空气电池的产业化进程。

2、锂空气电池阴极材料主要包括：锂金属、碳材料、催化剂，常用催化剂分为贵金属催化剂、非贵金属催化剂和碳基催化剂。贵金属催化剂成本高昂以及对有机电解液较强的氧化性，过渡金属同样存在对电解质降解的负作用，从而对电池容量、循环寿命等产生不利影响，而碳基催化剂成本较低、环境友好，而且化学性质稳定，但碳基催化剂的高压稳定性和氧化稳定性仍未得到解决。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种碳基催化剂及其制备方法和应用、电池阴极和锂空气电池。

2、本申请采用了以下技术方案：

3、本申请的第一方面公开了一种碳基催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤s1：将含氮物与含碳物混合，进行煅烧，得到氮掺杂碳化物；步骤s2：取所述氮掺杂碳化物与金属盐加水混合得到混合溶液，对所述混合溶液进行搅拌和加热，烘干后得到金属和氮双掺杂的多孔碳材料，即所述碳基催化剂；其中，所述金属盐选自锌盐、镁盐和钙盐中的至少一种。

4、需要说明的是，本申请的制备方法，主要碳源为薯类和谷类淀粉，原料含碳量高且成本低廉，可显著降低锂空气电池的生产成本，同时为该类淀粉开拓出其除主要为食用功能外的市场新出路；利用明胶/尿素为主材，可兼做碳基催化剂的碳源、氮源，同时通过氮原子掺杂为碳材料提供更多的氧气吸附位点，从而改善碳基催化剂的催化性能，另外这些吸附位点可稳定碳原子，导致碳基催化剂的稳定性的提升；所掺杂用的金属元素为zn、mg、ca，相较贵金属元素价格更具优势；制备流程简单，环境较为温和，有效保证催化剂的活性。制得的氮元素和金属元素双掺杂的碳基催化剂，能够显著提高催化剂的催化性能，从而增加锂空气电池的充放电效率和循环寿命。

5、本申请的一种实现方式中，所述含氮物选自尿素与明胶中的至少一种，所述含碳物选自红薯淀粉、马铃薯淀粉、玉米淀粉和小麦淀粉中的至少一种；所述含氮物和所述含碳物的质量比为1:4～4:1。

6、本申请的一种实现方式中，在步骤s1中，煅烧时通入氮气，气流速率为20～100ml/min，通气时长为10～30min。

7、本申请的一种实现方式中，在步骤s1中，煅烧程序为：以2～10℃/min升温至300～800℃，恒温保持0.5～3h。

8、本申请的一种实现方式中，所述氮掺杂碳化物和所述金属盐的质量比为10:1～1:10。

9、本申请的一种实现方式中，在步骤s2中，对所述混合溶液进行搅拌和加热的条件为：在25～100℃的条件下搅拌10～60min。

10、本申请的第二方面公开了一种碳基催化剂，所述碳基催化剂为金属和氮双掺杂的多孔碳材料，或根据本申请第一方面公开的制备方法制备得到。

11、本申请的第三方面公开了一种电池阴极，所述电池阴极包括集流体、粘结剂以及本申请第二方面公开的碳基催化剂。

12、本申请的第四方面公开了一种锂空气电池，所述锂空气电池含有本申请第二方面公开的碳基催化剂或第三方面公开的电池阴极。

13、本申请的第四方面公开了一种本申请第二方面公开的碳基催化剂在锂空气电池中的应用。

14、本申请的有益效果在于：

15、本申请的碳基催化剂，原料来源广泛、成本低廉，制备流程简单、条件较为温和、有效保证催化剂的活性。制得的氮元素和金属元素双掺杂碳基催化剂，能够显著提高催化剂的催化性能，从而增加锂空气电池的充放电效率和循环寿命。

技术特征：

1.一种碳基催化剂的制备方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含氮物选自尿素与明胶中的至少一种，所述含碳物选自红薯淀粉、马铃薯淀粉、玉米淀粉和小麦淀粉中的至少一种；所述含氮物和所述含碳物的质量比为1:4～4:1。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，煅烧时通入氮气，气流速率为20～100ml/min，通气时长为10～30min。

4.如权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，煅烧程序为：以2～10℃/min升温至300～800℃，恒温保持0.5～3h。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂碳化物和所述金属盐的质量比为10:1～1:10。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，对所述混合溶液进行搅拌和加热的条件为：在25～100℃的条件下搅拌10～60min。

7.一种碳基催化剂，其特征在于，所述碳基催化剂为金属和氮双掺杂的多孔碳材料，或根据权利要求1至6任一项所述的制备方法制备得到。

8.一种电池阴极，其特征在于，所述电池阴极包括集流体、粘结剂以及权利要求7所述的碳基催化剂。

9.一种锂空气电池，其特征在于，所述锂空气电池含有权利要求7所述的碳基催化剂或权利要求8所述的电池阴极。

10.一种如权利要求7所述的碳基催化剂在锂空气电池中的应用。

技术总结本申请公开了一种碳基催化剂及其制备方法和应用、电池阴极和锂空气电池，碳基催化剂的制备方法包括：步骤S1：将含氮物与含碳物混合，进行煅烧，得到氮掺杂碳化物；步骤S2：取氮掺杂碳化物与金属盐加水混合得到混合溶液，对混合溶液进行搅拌和加热，烘干后得到金属和氮双掺杂的多孔碳材料，即碳基催化剂；其中，金属盐选自锌盐、镁盐和钙盐中的至少一种。本申请的碳基催化剂，原料来源广泛、成本低廉，制备流程简单、条件较为温和、有效保证催化剂的活性。制得的氮元素和金属元素双掺杂碳基催化剂，能够显著提高催化剂的催化性能，从而增加锂空气电池的充放电效率和循环寿命。技术研发人员：何碧娇,王登虎,蓝玉霞,商伟,杨明,李凤梅受保护的技术使用者：深圳市比克动力电池有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/21