一種鋰空氣電池空氣電極及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電池技術領域，具體涉及一種鋰空氣電池空氣電極及制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著化石類燃料價格的飛漲，通過高效的電源代替石油類產品，從而為機動車輛提供動力支持，已經成為現代社會發展的迫切要求。尋找比能量更高，更便宜的正極材料一直是鋰電池的發展方向，但是鋰電池中正極材料局限了鋰電池的儲能能力，比如金屬鋰的電化學容量為3860mAh/g，但大部分正極材料的電化學容量只有200mAh/g
[0003]另一方面，鋰空氣電池具有很好的電化學性能，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催化劑變成氧負離子或過氧負離子然后再通過電化學反應生成金屬氧化物或過氧化物。
[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，制約其產業化的發展步伐。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，對鋰空氣電池的發展起到極大的推進作用。
【發明內容】
[0005]本發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，以克服現有技術不足。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[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中進行陽極電化學腐蝕，其中Nb作為陽極，Pt片作為負極；
[0011]B)步驟A得到的產物于NH3氣氛中700?950 °C還原，得到NbN納米管；
[0012]C)通過電化學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量的4.5%。
[0014]本發明的空氣電極通過NbN的納米結構提供導電網絡，通過化學、電化學沉積負載活性組分，是一種高效的鋰空氣電池空氣電極體系。本發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。
【具體實施方式】
[0015]實施例1
[0016]將Nb片用乙醇清洗干凈，在質量分數為0.5 %的NH4F的乙二醇溶液中，進行陽極電化學腐蝕，其中Nb作為陽極，Pt片作為負極。陽極腐蝕電位為60V，腐蝕時間為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]通過電化學沉積將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，通過循環伏安法進行電沉積。電位區間為-0.6?0.1V，掃描速度為20mVs—1，沉積1個循環，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，其中負載Pt納米顆粒的NbN納米管陣列厚度為22um，套管結構的內徑為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02進行高效的催化，并且可以直接用作鋰空氣電池的氧電極，無需額外添加集流體粘結劑以及導電劑。基于該空氣電極的鋰空氣電池的比容量達1800mAh g—1。開路電位可達3.8V。充放電平臺間的電位差為0.5V。
[0018]實施例2
[0019]將Nb片用乙醇清洗干凈，在質量分數為0.5 %的NH4F的乙二醇溶液中，進行陽極電化學腐蝕，其中Nb作為陽極，Pt片作為負極。陽極腐蝕電位為60V，腐蝕時間為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]通過電化學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，通過循環伏安法進行電沉積。電位區間為-0.6?0.1V，掃描速度為20mVs—1，沉積10個循環，即得到Au/NbN的同軸套管結構。該復合電極為IcmX Icm方形極片，厚度為lOOum，其中負載金納米顆粒的NbN納米管陣列厚度為23um，套管結構的內徑為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2000mAh g—、開路電位可達3.8V。充放電平臺間的電位差為0.7V。
[0021]實施例3
[0022]將Nb片用乙醇清洗干凈，在質量分數為0.5%的NH4F的乙二醇溶液中，進行陽極電化學腐蝕，其中Nb作為陽極，Pt片作為負極。陽極腐蝕電位為60V，腐蝕時間為8h。將得到的NbO2納米管陣列置于ImM的鉬酸銨溶液中lh，之后將取出的極片用清水小心沖洗，280°C烘干3h，將獲得負載有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2100mAh g—、開路電位可達3.8V。充放電平臺間的電位差為0.6V。
[0023]實施例4
[0024]將Nb片用乙醇清洗干凈，在質量分數為0.5%的NH4F的乙二醇溶液中，進行陽極電化學腐蝕，其中Nb作為陽極，Pt片作為負極。陽極腐蝕電位為60V，腐蝕時間為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，升溫過程中升溫速度為5°Cmin—、即可得到a-Mn02/NbN空氣電極。基于該空氣電極的鋰空氣電池的比容量可達2000mAh g—、開路電位達3.7V。充放電平臺間的電位差為0.6V。
【主權項】
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量的4.5%。2.—種制備權利要求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中進行陽極電化學腐蝕，其中Nb作為陽極，Pt片作為負極； B)步驟A得到的產物于NH3氣氛中700?950°C還原，得到NbN納米管； C)通過電化學沉積將活性組分沉積到NbN納米管中。3.根據權利要求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量的4.5%。
【專利摘要】本發明公開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，活性組分通過電沉積、化學沉積或者高溫氮化的方法，負載或沉積于多孔NbN的納米結構中，本發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，而且氧電極結構簡單易于組裝、使用方便。
【IPC分類】H01M4/86, H01M4/88, B82Y30/00, H01M12/06
【公開號】CN105591112
【申請號】CN201510974207
【發明人】銀鳳翔, 李國儒, 何小波
【申請人】北京化工大學常州先進材料研究院
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2015年12月22日