一种基于三维碳纳米管结构的锂空气电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维碳纳米管结构的锂空气电池及其制备方法。正极采用三维结构碳纳米管材料，隔膜为陶瓷电解质LISCON膜；三维结构碳纳米管上沉积有金属颗粒或金属氧化物催化剂，采用电化学沉积的方法沉积制备。三维结构碳纳米管材料相比其他碳材料有更高的电导率，在放电过程中提供更多的反应活性点，可储存足够多的放电产物，同时电解液润湿充分，氧气也可轻松透过结构。通过处理后附着上金属颗粒催化剂，此时作为正极材料不仅可使电池电压平台升高，放电容量进一步增大，而且对环境敏感度降低，工作环境范围增大。正极不需要使用粘结剂，组装后电池轻便稳定，工作范围更广泛，且具有极高的比容量和比能量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂空气电池技术，涉及一种锂空气电池及其制备方法，具体是一种正极以三维碳纳米管结构为基础的锂空气电池及其制备方法。
技术介绍
锂空气电池是近几年刚刚发展起来的新能源电池体系，以金属锂做负极，空气中的氧气为正极，相比锂离子电池具有更高的能量密度。放电时，负极的锂片释放一个电子成为Li+Li+通过电解质到达正极，与氧气及外电路流入的电子发生反应生成氧化锂或者过氧化锂；充电过程中，正极的放电产物分解产生氧气与Li+，并释放电子，Li+通过电解质到达负极，得到电子，重新形成金属锂。理论上锂空气电池正极采用氧气作为反应物，所以电池的容量取决于锂负极，可达到11. 457Kwh/kg(不考虑正极氧气的质量)，即使考虑氧气的质量，其比能量也是普通锂离子电池的十倍。因此，在理论上可实现大容量的锂空气电池作为新一代大容量电池有巨大的发展价值，受到广泛关注。虽然锂空气电池为人们展现出很好的前景，但是实际上其性能受各种因素的限制，并不能完全实现理论值，正极是电池所有反应发生的场所，尤其是正极材料对电池的容量和比能量起决定性作用。目前锂空气电池使用的电解质分为有机电解质、水性电解质以及全固态电解质；负极采用金属锂片；正极则多采用碳材料。相关证据显示，在放电过程中产生的氧化锂或过氧化锂会堵塞氧气传输通道而致使反应中断，此外，电解液作为充放电过程中正负极之间锂离子传输的唯一媒介，需要充足的传输通道。可见碳材料的微观结构是影响电池最终性能的关键因素，因此研究新型结构的碳材料成为研究的热点，以改善正极的动力学，提高电池的容量、比能量及循环性能。人们研究了多种碳材料后发现，电池的比容量与材料的比表面积成正比关系，因为大的比表面积为反应提供更多的电化学活性点，而孔道结构则为反应产物提供了储存空间，保证电解液的充盈和氧气的传输。基于以上因素，空气电极目前最常用的是具有多孔道结构和大比表面积的多孔碳材料，碳具有很好的导电性，另外多孔碳不仅在空气电极可作为支撑结构，也可在反应中起到催化作用或者是作为催化剂的载体，研究显示单/多壁碳纳米管、模板制备的多孔碳、石墨烯等作为正极材料均表现比较高的性能。当然，除了碳材料的比表面积与孔径大小之外，电极厚度和组成都对电池性能有影响。电极厚度大氧气则难以穿过极片溶解到电解液中，而空气电极中碳、电解液、催化剂和粘结剂的不同比例会导致不同的比容量，综合考虑，锂空气电池距离应用还有很长的路程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于三维碳纳米管结构的锂空气电池，它比现有的锂空气电池具有更高的容量和比能量；本专利技术还提供了其制备方法。本专利技术提供的一种基于三维碳纳米管结构的锂空气电池，其特征在于，正极采用三维结构碳纳米管材料，隔膜为陶瓷电解质LISCON膜。作为上述技术方案的改进，所述三维结构碳纳米管上沉积有催化剂，所述催化剂为金属颗粒或金属氧化物。本专利技术提供所述的锂空气电池的制备方法，其中附着有金属颗粒的正极材料的制备过程为(I)将要沉积金属的氯化盐溶解于HCl中，HCl的摩尔百分比浓度为O. I O. 3mol L—1,形成金属元素密度为2 5mg ·ηιΙ7的混合溶液；⑵在步骤⑴得到的混合溶液中添加聚环氧乙烷，以控制形成的沉积过程中金属颗粒的粒径，聚环氧乙烷的添加量为 10 30mg -Hir15(S)将一块三维碳纳米管材料浸入混合溶液中，另一块作为电化学沉积的对电极，沉积得到附着有金属颗粒的三维碳纳米管材料，以此作为正极材料，其中，金属颗粒与三维碳纳米管材料的质量比为I : 10 I : I。其中附着有金属氧化物的正极材料的制备过程为将金属的硝酸盐溶解于乙二醇中配制浓度为1*10_2 5*10_2mol/L的溶液，加入三维碳纳米管材料；在混合溶液中加入氨水调节PH至7，将所得溶液超声处理后取出三维碳纳米管材料在还原性气氛中烧结，即得到附着有金属氧化物的三维碳纳米管材料，以此作为正极材料。本专利技术提供的锂空气电池正极以新型的三维结构碳纳米管结构为基础。三维结构碳纳米管材料相比其他碳材料有更高的电导率，在放电过程中提供更多的反应活性点，可储存足够多的放电产物，同时电解液润湿充分，氧气也可轻松透过结构。另外，这种结构也可作为催化剂的载体，通过处理后附着上金属颗粒催化剂，此时作为正极材料不仅可使电池电压平台升高，放电容量进一步增大，而且对环境敏感度降低，工作环境范围增大。总而言之，正极材料基于这种三维碳纳米管结构的锂空气电池，正极不需要使用粘结剂，组装后电池轻便稳定，工作范围更广泛，且具有极高的比容量和比能量。附图说明图I为三维碳纳米管的微观结构示意图2为正极分别为三维碳纳米管和super P的锂空气电池放电性能比；图3为实例I、实例2和实例3所制备的锂空气电池放电性能示意图4为实例4和实例5所制备的锂空气电池放电性能示意图5为实例6所制备的锂空气电池放电性能示意图6为实例7所制备的锂空气电池放电性能示意图7为实例8所制备的锂空气电池放电性能示意图。具体实施方式本专利技术提供的锂空气电池正极是以新型的三维结构碳纳米管结构为基础，这种三维结构的碳纳米管由高电导率的互相连结的碳纳米管自组装而成，具有极低的密度和极高的孔隙率，结构轻盈灵活且稳定，吸液能力很高，比表面积大，催化剂附着量更高。其微观结构如图I所示。本专利技术提供的锂空气电池可以采用三维碳纳米管直接作为电池的正极材料，也可作为催化剂载体附着不同催化剂材料后作为电池的正极材料。催化剂材料可以是金属颗粒或氧化物，金属颗粒可以是钼、金、钯等金属材料中的一种或几种，氧化物可以是氧化铁、铁氧化三铁、四氧化三钴或氧化锰等。锂空气电池是将隔膜膜隔绝正、负极获得，其中正极与空气相通。本专利技术所提供的锂空气电池负极采用锂片，以陶瓷电解质LISCON膜隔绝正负极，电解液由N，N-二三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)溶解于室温离子液体N-甲基，丙基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐 (PP13TFSI)中配制而成，LiTFSI的摩尔浓度可为O. I O. 3mol/L。正极采用泡沫镍为集流体。本专利技术所提供的锂空气电池组装方法与常规锂空气电池组装方法相同，其中正极材料的制备方法如下附着有金属颗粒的正极材料的制备过程为(I)将要沉积金属的氯化盐溶解于HCl中，HCl的摩尔百分比浓度为O. I O. 3mol · L4,形成金属元素密度为2 5mg · m!7的混合溶液；(2)在步骤⑴得到的混合溶液中添加聚环氧乙烷(PEO)溶液，以控制形成的沉积过程中金属颗粒的粒径，添加量为10 30mg · mL'(3)将一块三维碳纳米管材料浸入混合溶液中，另一块作为电化学沉积的对电极， 通过控制沉积电流和时间，使沉积得到金属颗粒与三维碳纳米管材料的质量比为I : 10 I Io附着有金属氧化物的正极材料的制备过程为将金属的硝酸盐溶解于乙二醇中配制浓度为1*10_2 5*10_2mol/L的溶液，加入一块三维碳纳米管材料。在混合溶液中加入氨水调节PH至7，将所得溶液超声处理后取出三维碳纳米管材料在还原性气氛中烧结，即可得到附着有金属氧化物的三维碳纳米管材料。 通过控制盐浓度和三维碳纳米管材料的质量可获得金属氧化物与三维碳纳米管材料不同质量比的锂空气电池正极材料。本专利技术采用采用电化学沉积的方法沉积金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂空气电池，其特征在于，正极采用三维结构碳纳米管材料，隔膜为陶瓷电解质LISCON膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丹，沈越，黄云辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
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