一種鋰空氣電池空氣電極及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰空氣電池空氣電極及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石類燃料價(jià)格的飛漲，通過(guò)高效的電源代替石油類產(chǎn)品，從而為機(jī)動(dòng)車輛提供動(dòng)力支持，已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的迫切要求。尋找比能量更高，更便宜的正極材料一直是鋰電池的發(fā)展方向，但是鋰電池中正極材料局限了鋰電池的儲(chǔ)能能力，比如金屬鋰的電化學(xué)容量為3860mAh/g，但大部分正極材料的電化學(xué)容量只有200mAh/g
[0003]另一方面，鋰空氣電池具有很好的電化學(xué)性能，作為一種全新的金屬空氣電池，作為正極的氧氣(空氣)并不需要貯存在電池中。在空氣中的氧能夠通過(guò)催化劑變成氧負(fù)離子或過(guò)氧負(fù)離子然后再通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成金屬氧化物或過(guò)氧化物。
[0004]但是目前正極的氧電極通常為貴金屬催化劑(如Pt)，使鋰空電池的成本增加，制約其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展步伐。如果能成功采用新型催化劑代替或減少貴金屬的使用，將大大降低鋰空氣電池的成本，對(duì)鋰空氣電池的發(fā)展起到極大的推進(jìn)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種鋰空氣電池空氣電極及制備方法，這種制備方法可以減少甚至免去氧電極中貴金屬和粘合劑的含量，大大降低了鋰空氣電池的成本，以克服現(xiàn)有技術(shù)不足。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種鋰空氣電池空氣電極由多孔NbN納米管和活性組分組成；
[0008]活性組分為:鈾納米顆粒、金納米顆粒、α-Μηθ2納米顆粒、、β_Μηθ2納米顆粒、Y ~Μη〇2納米顆粒、MoN納米顆粒、MnN納米顆粒、三元金屬氮化物中的一種或幾種;其中鈾、金的一種或兩種含量少于氧電極總質(zhì)量的4.5%。
[0009]—種鋰空氣電池空氣電極，其制備方法的主要步驟為:
[0010]Α)將Nb片在NH4F中進(jìn)行陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕，其中Nb作為陽(yáng)極，Pt片作為負(fù)極；
[0011]B)步驟A得到的產(chǎn)物于NH3氣氛中700?950 °C還原，得到NbN納米管；
[0012]C)通過(guò)電化學(xué)沉積將氧電極的活性材料沉積到NbN納米管中。
[0013]上述步驟中，活性組分為:鈾納米顆粒、金納米顆粒、α-Μηθ2納米顆粒、、β_Μηθ2納米顆粒、γ _Μηθ2納米顆粒、MoN納米顆粒、MnN納米顆粒、三元金屬氮化物中的一種或幾種;其中鈾、金的一種或兩種含量少于氧電極總質(zhì)量的4.5%。
[0014]本發(fā)明的空氣電極通過(guò)NbN的納米結(jié)構(gòu)提供導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)化學(xué)、電化學(xué)沉積負(fù)載活性組分，是一種高效的鋰空氣電池空氣電極體系。本發(fā)明的空氣電極不僅能減少貴金屬的含量，而且具有很好的催化性能。
【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例1
[0016]將Nb片用乙醇清洗干凈，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %的NH4F的乙二醇溶液中，進(jìn)行陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕，其中Nb作為陽(yáng)極，Pt片作為負(fù)極。陽(yáng)極腐蝕電位為60V，腐蝕時(shí)間為8h。得到的NbO2納米管在700 0C，NH3氣氛中高溫還原Ih，得到NbN納米管。
[0017]通過(guò)電化學(xué)沉積將Pt的納米顆粒沉積到NbN納米管中，電解液為0.25mM H2PtCl6溶解于0.1M HCl，通過(guò)循環(huán)伏安法進(jìn)行電沉積。電位區(qū)間為-0.6?0.1V，掃描速度為20mVs—1，沉積1個(gè)循環(huán)，S卩得到Pt/NbN空氣電極。該空氣電極為I cm X I cm方形極片，厚度為I OOum，其中負(fù)載Pt納米顆粒的NbN納米管陣列厚度為22um，套管結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑為50?60nm，Pt納米顆粒層厚度為10?15nm，NbN納米管的管壁厚度為8?1nm。該空氣電極可以對(duì)02進(jìn)行高效的催化，并且可以直接用作鋰空氣電池的氧電極，無(wú)需額外添加集流體粘結(jié)劑以及導(dǎo)電劑?；谠摽諝怆姌O的鋰空氣電池的比容量達(dá)1800mAh g—1。開(kāi)路電位可達(dá)3.8V。充放電平臺(tái)間的電位差為0.5V。
[0018]實(shí)施例2
[0019]將Nb片用乙醇清洗干凈，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %的NH4F的乙二醇溶液中，進(jìn)行陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕，其中Nb作為陽(yáng)極，Pt片作為負(fù)極。陽(yáng)極腐蝕電位為60V，腐蝕時(shí)間為8h。得到的NbO2納米管陣列在9500C，NH3氣氛中高溫還原Ih，得到NbN納米管。
[0020]通過(guò)電化學(xué)沉積將金的納米顆粒沉積到NbN納米管中，電解液為0.25mM H2AuCl6溶解于0.1M HCl，通過(guò)循環(huán)伏安法進(jìn)行電沉積。電位區(qū)間為-0.6?0.1V，掃描速度為20mVs—1，沉積10個(gè)循環(huán)，即得到Au/NbN的同軸套管結(jié)構(gòu)。該復(fù)合電極為IcmX Icm方形極片，厚度為lOOum，其中負(fù)載金納米顆粒的NbN納米管陣列厚度為23um，套管結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑為60?70nm，金納米顆粒層厚度為10?15nm，NbN納米管的管壁厚度為9?10nm。基于該空氣電極的鋰空氣電池的比容量達(dá)2000mAh g—、開(kāi)路電位可達(dá)3.8V。充放電平臺(tái)間的電位差為0.7V。
[0021]實(shí)施例3
[0022]將Nb片用乙醇清洗干凈，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NH4F的乙二醇溶液中，進(jìn)行陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕，其中Nb作為陽(yáng)極，Pt片作為負(fù)極。陽(yáng)極腐蝕電位為60V，腐蝕時(shí)間為8h。將得到的NbO2納米管陣列置于ImM的鉬酸銨溶液中l(wèi)h，之后將取出的極片用清水小心沖洗，280°C烘干3h，將獲得負(fù)載有MoO3的NbO2納米管陣列置于管式爐中，在NH3氣氛中800°C高溫還原，升溫過(guò)程中升溫速度為5°Cmin—、即可得到MoN/NbN空氣電極。基于該空氣電極的鋰空氣電池的比容量達(dá)2100mAh g—、開(kāi)路電位可達(dá)3.8V。充放電平臺(tái)間的電位差為0.6V。
[0023]實(shí)施例4
[0024]將Nb片用乙醇清洗干凈，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NH4F的乙二醇溶液中，進(jìn)行陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕，其中Nb作為陽(yáng)極，Pt片作為負(fù)極。陽(yáng)極腐蝕電位為60V，腐蝕時(shí)間為8h。將得到的NbO2納米管陣列置于ImM的硫酸錳和ImM的硫酸鉀混合溶液中Ih，之后將取出的極片用清水小心沖洗，280°C烘干3h，將獲得負(fù)載有Ct-MnO2的NbO2納米管陣列置于管式爐中，在NH3氣氛中700°C高溫還原，升溫過(guò)程中升溫速度為5°Cmin—、即可得到a-Mn02/NbN空氣電極?；谠摽諝怆姌O的鋰空氣電池的比容量可達(dá)2000mAh g—、開(kāi)路電位達(dá)3.7V。充放電平臺(tái)間的電位差為0.6V。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋰空氣電池空氣電極及制備方法，其特征在于，空氣電極由多孔NbN納米管和活性組分組成； 活性組分為:鈾納米顆粒、金納米顆粒、α-Μηθ2納米顆粒、、β_Μηθ2納米顆粒、γ _Μηθ2納米顆粒、MoN納米顆粒、MnN納米顆粒、三元金屬氮化物中的一種或幾種;其中鈾、金的一種或兩種含量少于氧電極總質(zhì)量的4.5%。2.—種制備權(quán)利要求1所述鋰空氣電池空氣電極的制備方法，主要步驟為: Α)將Nb片在NH4F中進(jìn)行陽(yáng)極電化學(xué)腐蝕，其中Nb作為陽(yáng)極，Pt片作為負(fù)極； B)步驟A得到的產(chǎn)物于NH3氣氛中700?950°C還原，得到NbN納米管； C)通過(guò)電化學(xué)沉積將活性組分沉積到NbN納米管中。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種鋰空氣電池空氣電極及制備方法，其中，活性組分為:鉑納米顆粒、金納米顆粒、α_Μηθ2納米顆粒、、β_Μηθ2納米顆粒、γ _Μηθ2納米顆粒、MoN納米顆粒、MnN納米顆粒、三元金屬氮化物中的一種或幾種;其中鈾、金的一種或兩種含量少于氧電極總質(zhì)量的4.5%。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鋰空氣電池空氣電極及制備方法。這種空氣電極由多孔NbN納米管和活性組分組成，活性組分通過(guò)電沉積、化學(xué)沉積或者高溫氮化的方法，負(fù)載或沉積于多孔NbN的納米結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明可以減少甚至免去空氣電極材料中貴金屬的含量，從而大大降低鋰空氣電池的成本，而且氧電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于組裝、使用方便。
【IPC分類】H01M4/86, H01M4/88, B82Y30/00, H01M12/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105591112
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510974207
【發(fā)明人】銀鳳翔, 李國(guó)儒, 何小波
【申請(qǐng)人】北京化工大學(xué)常州先進(jìn)材料研究院
【公開(kāi)日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2015年12月22日