[发明专利]一种新型锂空气电池用三维电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学电源领域，具体涉及一种新型锂空气电池用三维电极材料及其制备方法。

背景技术

化学储能作为一种重要的储能方法，能够快速的进行能量储存与释放。然而传统的铅酸蓄电池、镍氢蓄电池能量密度和功率密度已经不能满足未来储能系统的要求，目前市场上普遍使用的锂离子电池，比容量已接近其理论值，已没有大幅度提升的空间。数码相机、笔记本电脑和智能手机等各种便携式电子设备的广泛应用，加之电动汽车的大力发展，对电池的高能量密度、可逆存储容量及循环稳定性等提出了更高的要求。锂-空气电池以其能量密度高、具有可逆性、环境友好等优点显示出良好的应用前景。

锂空气电池由于具有比能量高（11400Wh/kg），正极活性物质氧气直接来源于空气，是取之不尽用之不竭的能源等优点，现已成为全世界研究的焦点。锂空气电池经过多年的研究发展已经大大提高了其比容量和循环性稳定性。但是在非水系锂空气电池的放电产物氧化锂难溶于有机溶剂，只能在阴极表面沉积，容易造成氧气通道堵塞，放电被迫终止等问题，目前，锂空气电极材料的制备大多采用传统的打浆涂布法，粘结剂的使用使得表面活性物质大面积团聚，孔隙率大大降低，氧气通道减少，且粘结剂本身不导电，使得电荷不能有效到达反应界面，使能量遭受损失。因此探索研发了一种高性能的电极材料及其制备方法成为目前领域的重要课题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型锂空气电池正极材料及其制备方法，这种方法大大提高了材料的表面积，为催化剂提供了更多的活性位点，并且免去了粘结剂的使用，提高了电极材料的利用率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种新型锂空气电池用三维电极材料，其特征在于，三维电极材料由碳纸、碳纳米管和催化剂组成，其中碳纳米管质量为整个电极材料质量的1%-20%，催化剂质量占整个电极材料质量的1%-20%。

所述催化剂为铂纳米颗粒，金纳米颗粒，钯纳米颗粒，MnO₂纳米颗粒，Co₃O₄纳米颗粒，Fe₂O₃纳米颗粒和NiO纳米颗粒中的一种或几种。

一种新型锂空气电池用三维电极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）碳纳米管/碳纸三维复合材料的制备

a、将一片大小为2*5cm质量为44-46mg的碳纸，在稀硫酸阳极氧化3min，其中碳纸作为阳极，钛板作为阴极，去离子水水洗，干燥；

b、将步骤a处理后的碳纸浸泡在50-250mL含有NiCl₂的乙醇溶液中，5min后取出，80℃干燥得到NiCl₂/CFP；

c、将NiCl₂/CFP放入石英反应器中，通过气相沉积法制备多壁碳纳米管并将其沉积在碳纸的表面，即得到多壁碳纳米管/碳纸三维复合材料；

（2）催化剂的负载与三维电极材料的形成

a、将制备好的碳纳米管/碳纸三维复合材料放入50-250mL30%的硝酸溶液中浸泡2h，然后用去离子水水洗，80℃干燥；

b、将干燥好的以上（a）步骤的产物放入配置好的500-1000mL电沉积溶液中，以（a）步骤的产物作为工作电极，Pb、Ti或Ni作为对电极，在电流密度为0-100mA/cm²的电流下电沉积0-10min，用去离子水洗2-3次，真空干燥后即得到新型的三维电极材料。

所述步骤（1）中气相沉积法所使用的气体为氩气，氢气和乙烯。

所述步骤（1）制备碳纳米管的气相沉积法的过程为在升温过程通入氩气作为保护气体，乙烯作为碳源，当温度达到1023k后恒温1h，通氢气取代氩气，20min后改通氢气与氩气的混合气体，40min后在氩气气氛下自然冷却至室温。，所述升温过程的升温速率为10K/min。

所述碳纳米管为多壁碳纳米管，多壁碳纳米管无序交错生长，多壁碳纳米管的直径为10-100nm。

所述催化剂的制备方法为电沉积法。

本发明的有益效果为：本发明实现了无粘结剂电极材料的制备，省去了复杂的粉末电极制备过程，氧电极结构简单易于组装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施例和现有技术中的技术方案，下面将实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为多壁碳纳米管沉积在碳纸上的SEM图；