[發明專利]碳納米管陣列/碳纖維織物一體化三維多孔空氣電極的制備方法

有效

• 申請號: 201310252054.2
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103337639A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 劉世斌;李瑜;黃彥芳;衛國強;張鼎;張忠林;郝曉剛
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 戎文華

技術領域

本發明涉及一種鋰-空氣電池空氣電極的制備方法，進一步地，是一種用碳納米管陣列/碳纖維織物一體化三維多孔空氣電極的制備方法。

背景技術

化石燃料資源有限，并且造成生態環境污染日益嚴重，節能減排和開發新能源是當今社會的重要課題。電池作為一種理想的二次替代能源，應用于便攜式電子產品和新型電動汽車。傳統的鋰離子電池雖然可提供比較高的比能量（150-250Wh/kg），但是其陰極材料的比容量較低（≤200mAh/g），導致鋰離子電池的能量密度受限，不能滿足電動汽車電源的能量密度（700Wh/kg）[崔光磊,董杉木等.?碳材料及碳復合材料用于鋰空氣電池空氣電極[P].?No.?201210088700.1]。新型鋰-空氣電池的研究發現，其陰極（主要為碳材料）較輕，反應物氧氣從環境中獲取而不用儲存于在電池內部，理論上，氧氣作為陰極反應物是不受限制的，該電池的容量僅取決于鋰電極，鋰-空氣電池的比能量為5210Wh/kg（包括氧氣質量），或11140Wh/kg?(不包括氧氣質量)，是鋰離子電池的20多倍；與其它的金屬-空氣電池以及電能存貯和轉換器件性能相比，鋰-空氣電池具有潛在的實際應用前景。鋰-空氣電池除具有較高的理論比容量和比能量外，還具有生產成本低、發電效率高等優點，目前以空氣為陰極反應物的一種新型鋰電池，已成為國內外學者研究的熱點[劉春娜.?鋰/空氣電池研究最新進展[J],?電源技術,?2011,135(6)：633-635]。

鋰-空氣電池工作的基本原理：鋰-空氣電池是一種用金屬鋰作為陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。其放電過程為，陽極金屬鋰釋放電子后形成Li⁺，Li⁺穿過電解質材料，并在陰極與氧氣以及從外電路流過來的電子結合反應，生成過氧化鋰（Li₂O₂）固體，并滯留在陰極。

當鋰-空氣電池在充電時，其電池電壓增大至約4.0V，而電池放電時的工作電壓約2.6V，充電放電過電壓明顯過大，在充放電過程中，鋰-空氣電池的能量效率僅為65%[Girishkumar?G,?Mc?Closkey?B,?Luntz?A?C,?et?al.?Lithium-air?battery：Promise?and?challenges?[J].?The?Journal?of?Physical?Chemistry?Letters,?2010,?1(14)：2193-2203]。其主要原因是：鋰-空氣電池在放電過程中，O₂和Li⁺分別從陰極兩側進入到陰極材料的微孔孔道內反應，并生成不溶性固體氧化物（Li₂O₂），隨著放電過程進行，Li₂O₂產量增加并且很容易堵塞微孔孔道，導致陰極兩側的O₂和Li⁺在電極內的傳輸能力降低、甚至終止[Hayashi?M,?Minowa?H,?Takahashi?M,?et?al.?Surface?properties?andelectrochemical?performance?of?carbon?materials?for?air?electrodes?of?lithium-air?batteries[J].?Electrochemistry,?2010,?78(5)：325-328.]。目前正是因為鋰-空氣電池陰極的傳質和傳荷能力較低，限制了氧還原電化學反應的速率，造成電極內部濃差極化和歐姆極化較高，被認為是鋰-空氣電池能量轉化效率及功率密度偏低的主要原因。