CN103151541A - 一种新型锂空气电池空气电极及制备方法 - Google Patents

一种新型锂空气电池空气电极及制备方法 Download PDF

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银凤翔
陈标华
陈丹
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Beijing University of Chemical Technology
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Abstract

本发明公开了一种新型锂空气电池空气电极及制备方法。这种新型空气电极由多孔NbN纳米管和活性组分组成，活性组分通过电沉积、化学沉积或者高温氮化的方法，负载或沉积于多孔NbN的纳米结构中，本发明可以减少甚至免去空气电极材料中贵金属的含量，从而大大降低锂空气电池的成本，而且氧电极结构简单易于组装、使用方便。

Description

一种新型锂空气电池空气电极及制备方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种锂空气电池空气电极及制备方法。 
背景技术
随着化石类燃料价格的飞涨，通过高效的电源代替石油类产品，从而为机动车辆提供动力支持，已经成为现代社会发展的迫切要求。寻找比能量更高，更便宜的正极材料一直是锂电池的发展方向，但是锂电池中正极材料局限了锂电池的储能能力，比如金属锂的电化学容量为3860mAh/g，但大部分正极材料的电化学容量只有200mAh/g 
另一方面，锂空气电池具有很好的电化学性能，作为一种全新的金属空气电池，作为正极的氧气（空气）并不需要贮存在电池中。在空气中的氧能够通过催化剂变成氧负离子或过氧负离子然后再通过电化学反应生成金属氧化物或过氧化物。 
但是目前正极的氧电极通常为贵金属催化剂（如Pt），使锂空电池的成本增加，制约其产业化的发展步伐。如果能成功采用新型催化剂代替或减少贵金属的使用，将大大降低锂空气电池的成本，对锂空气电池的发展起到极大的推进作用。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型锂空气电池空气电极及制备方法，这种制备方法可以减少甚至免去氧电极中贵金属和粘合剂的含量，大大降低了锂空气电池的成本，以克服现有技术不足。 
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 
一种新型锂空气电池空气电极由多孔NbN纳米管和活性组分组成； 
活性组分为：铂纳米颗粒、金纳米颗粒、α-MnO2纳米颗粒、、β-MnO2纳米颗粒、γ-MnO2纳米颗粒、MoN纳米颗粒、MnN纳米颗粒、三元金属氮化物中的一种或几种；其中铂、金的一种或两种含量少于氧电极总质量的4.5%。 
一种新型锂空气电池空气电极，其制备方法的主要步骤为： 
A)将Nb片在NH4F中进行阳极电化学腐蚀，其中Nb作为阳极，Pt片作为负极； 
B)步骤A得到的产物于NH3气氛中700~950℃还原，得到NbN纳米管； 
C)通过电化学沉积将氧电极的活性材料沉积到NbN纳米管中。 
上述步骤中，活性组分为：铂纳米颗粒、金纳米颗粒、α-MnO2纳米颗粒、、β-MnO2纳米颗粒、γ-MnO2纳米颗粒、MoN纳米颗粒、MnN纳米颗粒、三元金属氮化物中的一种或几种；其中铂、金的一种或两种含量少于氧电极总质量的4.5%。 
本发明的空气电极通过NbN的纳米结构提供导电网络，通过化学、电化学沉积负载活性组分，是一种新型高效的锂空气电池空气电极体系。本发明的空气电极不仅能减少贵金属的含量，而且具有很好的催化性能。 
具体实施方式
实施例l 
将Nb片用乙醇清洗干净，在质量分数为0.5%的NH4F的乙二醇溶液中，进行阳极电化学腐蚀，其中Nb作为阳极，Pt片作为负极。阳极腐蚀电位为60V，腐蚀时间为8h。得到的NbO2纳米管在700℃，NH3气氛中高温还原1h，得到NbN纳米管。 
通过电化学沉积将Pt的纳米颗粒沉积到NbN纳米管中，电解液为0.25mM H2PtC16溶解于0.1M HCl，通过循环伏安法进行电沉积。电位区间为-0.6～0.1V，扫描速度为20mVs-1，沉积10个循环，即得到Pt/NbN空气电极。该空气电极为lcm×lcm方形极片，厚度为100um，其中负载Pt纳米颗粒的NbN纳米管阵列厚度为22um，套管结构的内径为50～60nm，Pt纳米颗粒层厚度为10～15nm，NbN纳米管的管壁厚度为8～10nm。该空气电极可以对O2进行高效的催化，并且可以直接用作锂空气电池的氧电极，无需额外添加集流体粘结剂以及导电剂。基于该空气电极的锂空气电池的比容量达1800mAh g-1。开路电位可达3.8V。充放电平台间的电位差为0.5V。 
实施例2 
将Nb片用乙醇清洗干净，在质量分数为0.5%的NH4F的乙二醇溶液中，进行阳极电化学腐蚀，其中Nb作为阳极，Pt片作为负极。阳极腐蚀电位为60V，腐蚀时间为8h。得到的NbO2纳米管阵列在950℃，NH3气氛中高温还原1h，得到NbN纳米管。 
通过电化学沉积将金的纳米颗粒沉积到NbN纳米管中，电解液为0.25mM H2AuC16溶解于0.1M HCl，通过循环伏安法进行电沉积。电位区间为-0.6～0.1V，扫描速度为20mVs-1，沉积10个循环，即得到Au/NbN的同轴套管结构。该复合电极为lcm×lcm方形极片，厚度为100um，其中负载金纳米颗粒的NbN纳米管阵列厚度为23um，套管结构的内径为60~70nm，金纳米颗粒层厚度为10~15nm，NbN纳米管的管壁厚度为9~10nm。基于该空气电极的锂空气电池的比容量达2000mAh g-1。开路电位可达3.8V。充放电平台间的电位差为0.7V。 
实施例3 
将Nb片用乙醇清洗干净，在质量分数为0.5%的NH4F的乙二醇溶液中，进行阳极电化学腐蚀，其中Nb作为阳极，Pt片作为负极。阳极腐蚀电位为60V，腐蚀时间为8h。将得到的NbO2纳米管阵列置于1mM的钼酸铵溶液中1h，之后将取出的极片用清水小心冲洗，280℃烘干3h，将获得负载有MoO3的NbO2纳米管阵列置于管式炉中，在NH3气氛中800℃高温还原，升温过程中升温速度为5℃min-1。即可得到MoN/NbN空气电极。基于该空气电极的锂空气电池的比容量达2100mAh g-1。开路电位可达3.8V。充放电平台间的电位差为0.6V。 
实施例4 
将Nb片用乙醇清洗干净，在质量分数为0.5%的NH4F的乙二醇溶液中，进行阳极电化学腐蚀，其中Nb作为阳极，Pt片作为负极。阳极腐蚀电位为60V，腐蚀时间为8h。将得到的NbO2纳米管阵列置于1mM的硫酸锰和1mM的硫酸钾混合溶液中1h，之后将取出的极片用清水小心冲洗，280℃烘干3h，将获得负载有α-MnO2的NbO2纳米管阵列置于管式炉中，在NH3气氛中700℃高温还原，升温过程中升温速度为5℃min-1。即可得到α-MnO2/NbN空气电极。基于该空气电极的锂空气电池的比容量可达2000mAh g-1。开路电位达3.7V。充放电平台间的电位差为0.6V。 

Claims (3)

1.一种新型锂空气电池空气电极及制备方法，其特征在于，空气电极由多孔NbN纳米管和活性组分组成； 
活性组分为：铂纳米颗粒、金纳米颗粒、α-MnO2纳米颗粒、、β-MnO2纳米颗粒、γ-MnO2纳米颗粒、MoN纳米颗粒、MnN纳米颗粒、三元金属氮化物中的一种或几种；其中铂、金的一种或两种含量少于氧电极总质量的4.5%。 
2.一种制备权利要求1所述新型锂空气电池空气电极的制备方法，主要步骤为： 
A)将Nb片在NH4F中进行阳极电化学腐蚀，其中Nb作为阳极，Pt片作为负极； 
B)步骤A得到的产物于NH3气氛中700~950℃还原，得到NbN纳米管； 
C)通过电化学沉积将活性组分沉积到NbN纳米管中。 
3.根据权利要求1或2所述一种新型锂空气电池空气电极及制备方法，其中，活性组分为：铂纳米颗粒、金纳米颗粒、α-MnO2纳米颗粒、、β-MnO2纳米颗粒、γ-MnO2纳米颗粒、MoN纳米颗粒、MnN纳米颗粒、三元金属氮化物中的一种或几种；其中铂、金的一种或两种含量少于氧电极总质量的4.5%。 
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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