[發(fā)明專利]一種基于三維碳納米管結(jié)構(gòu)的鋰空氣電池及其制備方法

無(wú)效

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• 申請(qǐng)日: 2012-11-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102983380A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫丹;沈越;黃云輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M12/08
• 分類號(hào): H01M12/08;H01M4/86
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰空氣電池技術(shù)，涉及一種鋰空氣電池及其制備方法，具體是一種正極以三維碳納米管結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的鋰空氣電池及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰空氣電池是近幾年剛剛發(fā)展起來(lái)的新能源電池體系，以金屬鋰做負(fù)極，空氣中的氧氣為正極，相比鋰離子電池具有更高的能量密度。放電時(shí)，負(fù)極的鋰片釋放一個(gè)電子成為L(zhǎng)i⁺Li⁺通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)正極，與氧氣及外電路流入的電子發(fā)生反應(yīng)生成氧化鋰或者過(guò)氧化鋰；充電過(guò)程中，正極的放電產(chǎn)物分解產(chǎn)生氧氣與Li⁺，并釋放電子，Li⁺通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極，得到電子，重新形成金屬鋰。理論上鋰空氣電池正極采用氧氣作為反應(yīng)物，所以電池的容量取決于鋰負(fù)極，可達(dá)到11.457Kwh/kg(不考慮正極氧氣的質(zhì)量)，即使考慮氧氣的質(zhì)量，其比能量也是普通鋰離子電池的十倍。因此，在理論上可實(shí)現(xiàn)大容量的鋰空氣電池作為新一代大容量電池有巨大的發(fā)展價(jià)值，受到廣泛關(guān)注。

雖然鋰空氣電池為人們展現(xiàn)出很好的前景，但是實(shí)際上其性能受各種因素的限制，并不能完全實(shí)現(xiàn)理論值，正極是電池所有反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，尤其是正極材料對(duì)電池的容量和比能量起決定性作用。目前鋰空氣電池使用的電解質(zhì)分為有機(jī)電解質(zhì)、水性電解質(zhì)以及全固態(tài)電解質(zhì)；負(fù)極采用金屬鋰片；正極則多采用碳材料。相關(guān)證據(jù)顯示，在放電過(guò)程中產(chǎn)生的氧化鋰或過(guò)氧化鋰會(huì)堵塞氧氣傳輸通道而致使反應(yīng)中斷，此外，電解液作為充放電過(guò)程中正負(fù)極之間鋰離子傳輸?shù)奈ㄒ幻浇椋枰渥愕膫鬏斖ǖ馈？梢?jiàn)碳材料的微觀結(jié)構(gòu)是影響電池最終性能的關(guān)鍵因素，因此研究新型結(jié)構(gòu)的碳材料成為研究的熱點(diǎn)，以改善正極的動(dòng)力學(xué)，提高電池的容量、比能量及循環(huán)性能。

人們研究了多種碳材料后發(fā)現(xiàn)，電池的比容量與材料的比表面積成正比關(guān)系，因?yàn)榇蟮谋缺砻娣e為反應(yīng)提供更多的電化學(xué)活性點(diǎn)，而孔道結(jié)構(gòu)則為反應(yīng)產(chǎn)物提供了儲(chǔ)存空間，保證電解液的充盈和氧氣的傳輸。基于以上因素，空氣電極目前最常用的是具有多孔道結(jié)構(gòu)和大比表面積的多孔碳材料，碳具有很好的導(dǎo)電性，另外多孔碳不僅在空氣電極可作為支撐結(jié)構(gòu)，也可在反應(yīng)中起到催化作用或者是作為催化劑的載體，研究顯示單/多壁碳納米管、模板制備的多孔碳、石墨烯等作為正極材料均表現(xiàn)比較高的性能。

當(dāng)然，除了碳材料的比表面積與孔徑大小之外，電極厚度和組成都對(duì)電池性能有影響。電極厚度大氧氣則難以穿過(guò)極片溶解到電解液中，而空氣電極中碳、電解液、催化劑和粘結(jié)劑的不同比例會(huì)導(dǎo)致不同的比容量，綜合考慮，鋰空氣電池距離應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維碳納米管結(jié)構(gòu)的鋰空氣電池，它比現(xiàn)有的鋰空氣電池具有更高的容量和比能量；本發(fā)明還提供了其制備方法。

本發(fā)明提供的一種基于三維碳納米管結(jié)構(gòu)的鋰空氣電池，其特征在于，正極采用三維結(jié)構(gòu)碳納米管材料，隔膜為陶瓷電解質(zhì)LISCON膜。

作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述三維結(jié)構(gòu)碳納米管上沉積有催化劑，所述催化劑為金屬顆粒或金屬氧化物。

本發(fā)明提供所述的鋰空氣電池的制備方法，其中附著有金屬顆粒的正極材料的制備過(guò)程為：(1)將要沉積金屬的氯化鹽溶解于HCl中，HCl的摩爾百分比濃度為0.1～0.3mol·L^-1，形成金屬元素密度為2～5mg·mL^-的混合溶液；(2)在步驟(1)得到的混合溶液中添加聚環(huán)氧乙烷，以控制形成的沉積過(guò)程中金屬顆粒的粒徑，聚環(huán)氧乙烷的添加量為10～30mg·mL^-1；(3)將一塊三維碳納米管材料浸入混合溶液中，另一塊作為電化學(xué)沉積的對(duì)電極，沉積得到附著有金屬顆粒的三維碳納米管材料，以此作為正極材料，其中，金屬顆粒與三維碳納米管材料的質(zhì)量比為1∶10～1∶1。

其中附著有金屬氧化物的正極材料的制備過(guò)程為：將金屬的硝酸鹽溶解于乙二醇中配制濃度為1*10^-2～5*10^-2mol/L的溶液，加入三維碳納米管材料；在混合溶液中加入氨水調(diào)節(jié)PH至7，將所得溶液超聲處理后取出三維碳納米管材料在還原性氣氛中燒結(jié)，即得到附著有金屬氧化物的三維碳納米管材料，以此作為正極材料。