[发明专利]一种用于锂空气电池正极的多壁碳纳米管制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂空气电池材料，尤其是涉及一种用于锂空气电池正极的多壁碳纳米管制备方法。

背景技术

锂空气电池由于其具有超高的能量密度，在未来电化学能源应用方面有着巨大潜能。其理论容量与汽油燃烧相当，能量密度为现在商业使用锂离子电池的5-10倍。锂空气电池由金属锂阳极(负极)、有机电解液、隔膜及多孔阴极(正极)组成。电池充放电基于的反应为2Li⁺+O₂+2e^-→Li₂O₂，E⁰＝2.96V vs.Li/Li⁺。但目前，锂空气电池的应用受到其循环稳定性的严重制约。

锂空气电池正极材料对提高电池性能起重要作用，碳材料尤其是碳纳米管材料由于其具有独特的一维结构、良好的导电性及大的比表面积已被广泛用于锂空气电池正极的研究。化学气相沉积法是最为常用的制备碳纳米管的方法，通常包括载气及混气系统、催化区、高温碳化区等组成部分。碳管生长的形貌影响因素包括载气的组成及流速、催化剂的类别及颗粒大小、升温速率及反应时间等。化学气相沉积法对仪器设备要求较高，工艺操作复杂，安全性差，其实际应用有着局限性。

此外，锂空气电池电极材料在制备过程中通常需要使用粘结剂已达到与集流体良好的粘结效果。但粘结剂的加入，不可避免的部分阻塞了氧气的进出通道及放电产物的沉积空间，从而降低电池的放电容量。而从安全性能考虑，锂空气电池充放电电压区间较高，会造成有机粘结剂的分解，形成LiF等副产物，造成电池性能的衰竭。因而，无粘结剂的制备工艺对于锂空电池循环稳定性的提高更为有利。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种免去载气混气系统，不必控制气体流量，采用普通惰性气氛炉碳化即可实现，制备工艺简单，易于控制的用于锂空气电池正极的多壁碳纳米管制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于锂空气电池正极的多壁碳纳米管制备方法，采用以下步骤：

(1)将基体泡沫镍裁剪成所需尺寸，采用有机溶剂浸泡并超声去除表面油污，用水冲洗后烘干备用；

(2)将碳前驱物及表面活性剂溶解于无水乙醇与去离子水混合溶液中搅拌至形成澄清溶液，加入浓盐酸，搅拌至形成均一稳定溶液；

(3)用步骤(2)制备得到的稳定溶液浸渍烘干的泡沫镍片，烘干后在惰性气氛下，置于管式炉中进行碳化，降温后取出，得黑色圆片状的碳纳米管/泡沫镍，即为用于锂空气电池正极的多壁碳纳米管。

所述的碳前驱物与表面活性剂的质量比0.1∶1～10∶1。

所述的碳前驱物选自邻苯二酚-甲醛、对苯二酚-甲醛、间苯二酚-甲醛、苯酚-甲醛、甲苯、二甲苯、蔗糖或糠醇中的一种或几种。

所述的表面活性剂选自聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧乙烯或三嵌段共聚物中的一种或几种。

所述的三嵌段共聚物为P123或F127。

加入浓盐酸控制体系的pH为1-6。

所述的惰性气氛的气体为氮气或氩气的一种或其与氢气的混合气。

所述的碳化采用的温度为600～1600℃。

与现有技术相比，本发明突破了气相沉积法的局限，将碳前驱物负载到泡沫镍上，利用原位碳化制备多壁碳纳米管。与气相沉积法相比，本发明的原位碳化法所用的基体泡沫镍可直接用作锂空气电池正极的集流体，从而免去有机粘结剂的添加，减少放电副反应的发生，该方法免去载气混气系统，不必控制气体流量，采用普通惰性气氛炉碳化即可实现，制备工艺简单，易于控制。除此之外，制备得到的多壁碳纳米管由泡沫镍生长，相互间连接紧密，增强了导电性。同时，该材料特殊的骨架结构促进了其在锂空气电池应用中氧气的进入、吸附及放电产物的沉积。

附图说明

图1为实施例1的碳纳米管/泡沫镍的X射线-衍射谱图。

图2为实施例1的碳纳米管/泡沫镍的拉曼谱图。

图3为实施例1的碳纳米管/泡沫镍的扫描电镜谱图。

图4为实施例1的碳纳米管/泡沫镍的透射电镜谱图。

图5为实施例1的碳纳米管/泡沫镍材料组装电池的倍率性能图。

图6为实施例1的碳纳米管/泡沫镍材料组装电池的循环性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1