[發明專利]表面負載有Au納米顆粒的碳納米管陣列電極及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610254500.7
• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN105789637B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（設計）人: 謝健;屠芳芳;曹燦;唐之初;曹高劭;趙新兵
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 馬士林

技術領域

本發明涉及鋰空電池催化電極領域，具體涉及一種表面負載有Au納米顆粒的碳納米管陣列電極及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池現在被廣泛用作移動電子設備，如智能手機、筆記本電腦等，并且在電網儲能、電動汽車領域具有巨大的市場。但是，鋰離子電池的能量密度較低，限制了其在大規模儲能領域中的應用，如在電動汽車上大規模使用。相比之下，鋰空電池的能量密度較高，遠超傳統的鋰離子電池，但大規模儲能領域，特別是電動汽車中具有誘人的應用前景。

與傳統鋰離子電池的(鋰離子)穿梭機理不同，鋰空電池的工作基于過氧化鋰(Li₂O₂)的形成與分解，即但過氧化鋰的導電性極差，在充電過程中很難分解，造成大的過電位和較為嚴重的副反應。一般認為，引入催化劑可降低過電位，常見的催化劑有碳材料(如石墨烯、碳納米管等)、過渡金屬氧化物(如MnO₂，Co₃O₄)、貴金屬等。碳材料價格便宜、電導率高被廣泛用作催化劑，但其催化性能較弱，往往要和貴金屬或氧化物復合以提高其催化性能。

Li₂O₂的沉積一方面會導致電極的鈍化，另一方面會造成電極的阻塞，影響鋰離子和氧氣的傳導。將電極設計成陣列型，利用陣列電極固有的空隙來填充Li₂O₂是解決辦法之一，將碳材料設計成陣列型電極，可進一步利用碳管的導電性。但由于Li₂O₂生長往往不可控，不能從根本上解決問題。比較理想的情況是，通過某種“引導”作用，將Li₂O₂生長于碳管內部，如引入貴金屬來“引導”生長Li₂O₂；碳管本身應具備某些理想結構：如不完整，如開裂、開口等，以利于Li₂O₂的“填入”。

該類電極設計對于解決鋰空電池的問題具有重要的理論意義及實際應用價值，但目前還沒有這方面的文獻報道。

發明內容

本發明提供了一種用于鋰空電池的載有Au納米顆粒的碳納米管陣列型電極及其制備方法和應用。制備工藝簡單，能耗低、成本低，適合于大規模工業化生產；制備得到的載有Au納米顆粒的碳納米管陣列具有控制Li₂O₂生長的功能，將其應用于鋰空電池，可提高鋰空電池的電化學性能，特別是降低極化和提高循環穩定性。

本發明公開了一種表面負載有Au納米顆粒的碳納米管陣列電極的制備方法，包括以下步驟：

1)將六水合硝酸鋅、六亞甲基四胺溶于去離子水，再加入氨水，攪拌均勻后得到混合溶液；

所述六亞甲基四胺和六水合硝酸鋅的摩爾比為0.5～2.0；

所述氨水與去離子水的體積比為0.03～0.1；

所述混合溶液中Zn²⁺濃度為0.01～0.05mol/L；

2)將泡沫鎳浸入混合溶液中，經70～110℃水熱反應2～10h，再經后處理得到表面載有氧化鋅納米棒的泡沫鎳，記為Ni/ZnO；

3)將步驟2)得到的Ni/ZnO在室溫下用濺射法噴金60～120s，再浸入濃度為0.05～0.15mol/L的葡萄糖溶液中，取出后進行熱處理得到載有氧化鋅、金納米顆粒和碳納米管的泡沫鎳，記為Ni/ZnO/Au/CNT；

所述熱處理的溫度為500～700℃，時間為2～10h；

4)將Ni/ZnO/Au/CNT浸入濃度為1～3mol/L的NaOH水溶液中去除ZnO，經后處理得到所述的表面負載有Au納米顆粒的碳納米管陣列電極，記為Ni/Au/CNT。

本發明以三維多孔泡沫鎳為基體，通過水熱法(結合熱處理)在Ni基體上直接制備載有金納米顆粒的碳納米管陣列，并保留了泡沫鎳的三維多孔結構，有利于鋰離子和氧氣的擴散。碳納米管起到了三重作用，不僅為電極提供導電作用及對Li₂O₂形成和分解提供催化作用，而且可支撐和分散Au納米顆粒。