TW201701520A - 金屬空氣電池正極及金屬空氣電池 - Google Patents

金屬空氣電池正極及金屬空氣電池 Download PDF

Info

Publication number
TW201701520A
TW201701520A TW104122768A TW104122768A TW201701520A TW 201701520 A TW201701520 A TW 201701520A TW 104122768 A TW104122768 A TW 104122768A TW 104122768 A TW104122768 A TW 104122768A TW 201701520 A TW201701520 A TW 201701520A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
carbon nanotube
air battery
positive electrode
metal
carbon
Prior art date
Application number
TW104122768A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI600206B (zh
Inventor
吳揚
馬順超
彭章泉
王佳平
姜開利
范守善
Original Assignee
鴻海精密工業股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 鴻海精密工業股份有限公司 filed Critical 鴻海精密工業股份有限公司
Publication of TW201701520A publication Critical patent/TW201701520A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI600206B publication Critical patent/TWI600206B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8689—Positive electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

本發明涉及一種金屬空氣電池正極，包括奈米碳管網路結構及設置在該奈米碳管網路結構中的催化劑顆粒，該奈米碳管網路結構包括多個相互層疊的奈米碳管膜，每層奈米碳管膜包括多個基本平行於該奈米碳管膜表面，且基本沿相同方向延伸的奈米碳管。本發明還涉及一種金屬空氣電池。

Description

金屬空氣電池正極及金屬空氣電池
本發明涉及一種金屬空氣電池，尤其涉及一種含有奈米碳管的金屬空氣電池正極及金屬空氣電池。
金屬空氣電池是使用氧氣作為正極活性材料的電池，具有能量密度高、容易小型化和輕量化等優點，近年來逐漸受到人們的廣泛關注。根據負極金屬的不同，金屬空氣電池包括鋰空氣電池、鎂空氣電池、鋅空氣電池和鋁空氣電池等。
金屬空氣電池的工作原理是：在放電過程中，負極產生金屬離子及電子，金屬離子穿過電解質材料，並在正極與氧氣以及電子結合，生成固體的金屬氧化物；在充電過程中，固體的金屬氧化物分解，形成金屬離子、氧氣及電子，金屬離子穿過電解質材料，在正極與電子結合形成金屬。正極的化學反應式為，負極的化學反應式為。金屬空氣電池的正極一般包括作為導電載體的多孔碳材料及負載在多孔碳上的催化劑。由於放電過程在正極生成不溶的金屬氧化物，這些金屬氧化物不斷堆積在導電碳材料的孔道內，造成氧氣與金屬離子在正極中的傳輸能力降低，從而使氧化還原反應速率降低，造成金屬空氣電池的能量轉化效率及功率密度降低。在碳材料中，奈米碳管具有極高的比表面積，能夠為催化劑提供更多的擔載空間。
有鑒於此，提供一種利用奈米碳管作為催化劑載體的金屬空氣電池正極及金屬空氣電池實為必要。
一種金屬空氣電池正極，包括奈米碳管網路結構及設置在該奈米碳管網路結構中的催化劑顆粒，該奈米碳管網路結構包括多個相互層疊的奈米碳管膜，每層奈米碳管膜包括多個基本平行於該奈米碳管膜表面，且基本沿相同方向延伸的奈米碳管。
一種金屬空氣電池，包括：負極；上述的金屬空氣電池正極；以及電解質，該電解質設置在金屬空氣電池正極與負極之間。
與先前技術相較，由於該金屬空氣電池正極奈米碳管基本平行於該奈米碳管膜表面，使該奈米碳管膜具有較小的厚度，並且由於奈米碳管之間存在大量間隙，使金屬離子和氧氣能夠容易的深入該金屬空氣電池正極內部，從而使催化劑顆粒的利用率最大化。
圖1 為本發明實施例提供的金屬空氣電池正極結構示意圖。
圖2 為本發明實施例提供的金屬空氣電池正極的奈米碳管膜的掃描電鏡照片照片。
圖3為本發明另一實施例提供的金屬空氣電池正極的結構示意圖。
圖4為本發明又一實施例提供的金屬空氣電池正極的結構示意圖。
圖5為本發明實施例提供的奈米碳管紙的光學照片。
圖6為本發明實施例提供的金屬空氣電池的結構示意圖。
圖7為本發明實施例提供的Ru催化劑金屬空氣電池正極的透射電鏡(TEM)照片。
圖8為本發明實施例提供的Ru催化劑金屬空氣電池正極放電後的掃描電鏡(SEM)照片。
圖9為本發明實施例提供的Ru催化劑鋰空氣電池放電曲線。
圖10為本發明實施例提供的Pd催化劑金屬空氣電池正極的TEM照片。
圖11為本發明實施例提供的Pd催化劑金屬空氣電池正極放電後的SEM照片。
圖12為本發明實施例提供的Pd催化劑鋰空氣電池放電曲線。
請參見圖1，本發明實施方式提供一種金屬空氣電池正極10，包括奈米碳管網路結構12及設置在該奈米碳管網路結構12中的奈米碳管的管壁上的催化劑顆粒14。該奈米碳管網路結構12包括多個相互層疊的奈米碳管膜122。
每層奈米碳管膜122包括多個基本平行於該奈米碳管膜122表面，且基本沿相同方向排列的奈米碳管，即該奈米碳管膜122為定向奈米碳管膜。請參閱圖2，該定向的奈米碳管膜122優選為從奈米碳管陣列中拉取獲得的自支撐的奈米碳管膜，該奈米碳管膜122由若干奈米碳管組成，所述若干奈米碳管為沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向是指在奈米碳管膜122中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管膜122的表面。進一步地，所述奈米碳管膜122中多數奈米碳管是通過凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管膜122中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連，從而使該奈米碳管膜122能夠實現自支撐。當然，所述奈米碳管膜122中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管膜122中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。進一步地，所述奈米碳管膜122可包括多個連續且定向排列的奈米碳管片段。該多個奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段包括多個相互平行的奈米碳管，該多個相互平行的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合。另外，所述奈米碳管膜122中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管膜122的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部分接觸。由於從奈米碳管陣列中拉取獲得的奈米碳管膜122具有較大的比表面積，因此，該奈米碳管膜122具有較大的黏性。
所述自支撐是奈米碳管膜122不需要大面積的載體支撐，而只要一邊或相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該奈米碳管膜122置於（或固定於）間隔一定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管膜122能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管膜122中存在連續的通過凡得瓦力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。
在該金屬空氣電池正極10中，該多個定向的奈米碳管膜122可以沿相同方向層疊設置或者沿至少兩個不同方向層疊設置。當該多個定向的奈米碳管膜122沿相同方向層疊設置時，該金屬空氣電池正極10中的絕大多數奈米碳管沿相同方向延伸。請參閱圖3，當該多個定向的奈米碳管膜122沿至少兩個不同方向層疊設置時，沿不同方向層疊的奈米碳管膜122中的奈米碳管之間相互交叉，以形成一夾角β，β大於0度且小於或等於90度（0°<β≦90°），優選為90°。在該金屬空氣電池正極10中，該奈米碳管膜122的層數不限，可根據實際需要選擇，優選為10~200層奈米碳管膜122相互層疊設置，更優選為100~200層奈米碳管膜122相互層疊設置。奈米碳管膜122數量過少，可用於擔載催化劑顆粒14的奈米碳管較少，奈米碳管膜122數量過多，奈米碳管間的微孔減小，不利於金屬離子及氧氣的傳輸。該奈米碳管網路結構12中的微孔孔徑優選為10奈米~1µm奈米。該多個奈米碳管之間直接接觸並通過凡得瓦力緊密結合，從而形成一自支撐的奈米碳管網路結構12，在該奈米碳管網路結構12中相鄰的奈米碳管相互連接，從而形成一導電網路。由於該奈米碳管膜122具有極薄的厚度，將多層奈米碳管膜122層疊設置後該奈米碳管網路結構12仍然具有較薄的厚度。100~200層奈米碳管膜122層疊的厚度約為4~10µm。可以理解，由於該奈米碳管膜122可以從陣列中拉取獲得，因此具有較為均勻的厚度，將該多個奈米碳管膜122層疊設置後形成的奈米碳管網路結構12也具有較為均勻的厚度，從而具有較為均勻的電導率。
該催化劑顆粒14的材料可以為貴金屬，如Ru、Pt、Pd、Au、Rh或Ag。該催化劑顆粒14的尺寸優選為1奈米~10奈米。該催化劑顆粒14均勻分佈於該奈米碳管網路結構12中，通過奈米碳管的管壁吸附固定。表面擔載有該催化劑顆粒14的奈米碳管之間仍然具有大量間隙，該金屬空氣電池正極10整體為多孔結構，有利於金屬離子及氧氣的滲透。該金屬空氣電池正極10中催化劑顆粒14的質量百分比可以為50%~90%，優選為75%~85%。單位面積的奈米碳管網路結構12擔載的催化劑顆粒14的量可以為0.5mg/cm2 ~2mg/cm2 。
該金屬空氣電池正極10可以僅由催化劑顆粒14和奈米碳管組成，該金屬空氣電池正極10的奈米碳管膜122為自支撐結構，既能起到集流體的作用，又可以負載催化劑顆粒14，無需另外設置集流體。
請參閱圖4，在另一實施例中，該金屬空氣電池正極10可進一步包括正極集流體16，該奈米碳管膜122層疊設置在該正極集流體16表面。該正極集流體16用於將該奈米碳管膜122與外電路連接。該正極集流體16可以為自支撐的多孔導電層狀結構。在一實施例中，該正極集流體16可以是金屬網，金屬可列舉為鎳、鋁、銅、鈦或不銹鋼。在另一實施例中，該正極集流體16由碳材料形成，如碳纖維織物層、奈米碳管紙、石墨烯層、石墨烯-奈米碳管複合層或裂解碳層。
請參閱圖5，在一優選的實施例中，該正極集流體16為奈米碳管紙，該奈米碳管紙為黑色的薄片狀，自支撐，可以如紙張般柔性、耐彎折，且具有韌性。該奈米碳管紙的厚度可以為500奈米~500微米。該奈米碳管紙可以由50~1000層相互層疊的奈米碳管膜122組成。每層奈米碳管膜122包括多個基本沿相同方向排列的奈米碳管，即該奈米碳管膜122為定向奈米碳管膜。該奈米碳管紙中的奈米碳管膜122可以與該奈米碳管網路結構12中的奈米碳管膜122結構相同，均為從奈米碳管陣列中拉取獲得的自支撐的奈米碳管膜122。由於該奈米碳管膜122具有較大的比表面積，因此該奈米碳管膜122具有較大黏性，在該奈米碳管紙中，相鄰的奈米碳管膜122間通過凡得瓦力相互吸引，一旦層疊就不可分開，從而形成整體結構。該奈米碳管紙中奈米碳管之間存在微孔，能夠使氧氣通過。
優選地，該奈米碳管紙中的奈米碳管膜122沿相同方向層疊，使該奈米碳管紙由基本沿相同方向排列的奈米碳管組成。基本沿相同方向排列的奈米碳管使奈米碳管紙在特定方向上具有優異的導電性。該奈米碳管紙在金屬空氣電池正極10中用作正極集流體16，即將奈米碳管網路結構12產生的電流進行收集並傳導至外電路。
更為優選地，該奈米碳管網路結構12中至少有一奈米碳管膜122中奈米碳管的排列方向與該奈米碳管紙中的奈米碳管膜122中奈米碳管的排列方向相同，也就是使奈米碳管網路結構12與奈米碳管紙中的奈米碳管至少部分順向排列，更加有利於增加奈米碳管之間的接觸面積，使奈米碳管網路結構12與奈米碳管紙的結合更為牢固。
該奈米碳管紙與該奈米碳管網路結構12優選為直接接觸，即該奈米碳管網路結構12中的奈米碳管與該奈米碳管紙中的奈米碳管為直接接觸，並通過凡得瓦力結合，無需粘結劑，該奈米碳管紙及奈米碳管網路結構12中的奈米碳管膜122具有極大的比表面積，兩者之間一旦通過凡得瓦力結合即難以分開。該奈米碳管網路結構12的面積優選為小於該奈米碳管紙的面積，並設置在該奈米碳管紙的局部位置。例如，該奈米碳管紙具有長方形結構，該奈米碳管網路結構12設置在該奈米碳管紙的一端。該奈米碳管紙的另一端可以用於連接外電路。
在該金屬空氣電池正極10中，該催化劑顆粒14不僅形成在該奈米碳管網路結構12外表面，還深入設置在位於奈米碳管網路結構12內部的奈米碳管表面，使該金屬空氣電池正極10中的絕大多數奈米碳管的所有表面均得到充分有效的利用，從而能夠使催化劑顆粒14的擔載量最大化。由於該金屬空氣電池正極10中奈米碳管基本平行於該奈米碳管膜122表面，使該奈米碳管膜122具有較小的厚度，並且由於奈米碳管之間存在大量間隙，擔載催化劑顆粒14後該金屬空氣電池正極10仍然具有大量微孔，使金屬離子和氧氣能夠容易的深入該金屬空氣電池正極10內部，從而使催化劑顆粒14的利用率最大化。
該金屬空氣電池正極10的製備方法可以為：從奈米碳管陣列中拉取獲得奈米碳管膜122；在該奈米碳管膜122表面擔載催化劑顆粒14，形成催化劑複合奈米碳管膜；以及將多個催化劑複合奈米碳管膜相互層疊，形成該金屬空氣電池正極10。當該金屬空氣電池正極10具有正極集流體16時，所述將多個催化劑複合奈米碳管膜相互層疊具體是將該催化劑複合奈米碳管膜在該正極集流體16表面相互層疊。
該在該奈米碳管膜表面擔載催化劑顆粒的方法可以為化學氣相沈積法或物理氣相沈積法，例如真空蒸鍍法或磁控濺射法。在擔載催化劑顆粒時，可以通過控制催化劑顆粒14的形成時間，例如真空蒸鍍或磁控濺射的時間控制該金屬空氣電池正極10中催化劑顆粒14的的質量百分含量。
請參閱圖6，本發明實施例進一步提供一種金屬空氣電池100，包括上述金屬空氣電池正極10、負極20及電解質30。
該負極20包括負極活性材料層22，該負極活性材料層22可以為金屬或合金，例如可以以為鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鋁、鋅、鐵、銀或上述金屬的合金。優選地，該金屬空氣電池100為鋰空氣電池，該負極活性材料層22含有金屬鋰或鋰合金，如鋰鋁合金、鋰錫合金、鋰鉛合金或鋰矽合金。該負極20可進一步包括負極集流體24，該負極活性材料層22設置在該負極集流體24表面。該負極集流體24用於將該負極活性材料層22與外電路電連接。該負極集流體24的可以為自支撐的導電層狀結構。在一實施例中，該負極集流體24可以是無孔的金屬箔或多孔的金屬網，金屬可列舉為鎳、銅或不銹鋼。在另一實施例中，該負極集流體24由碳材料形成，如碳纖維織物層、奈米碳管紙、石墨烯層、石墨烯-奈米碳管複合層或裂解碳層。
該電解質30設置在該金屬空氣電池正極10與負極20之間，進行金屬離子傳導。該電解質30可以為電解液、凝膠電解質或固體電解質。該電解液含有電解質鹽和溶劑。該溶劑可以為先前技術中常用的金屬空氣電池中的溶劑，例如可以為環狀碳酸酯、鏈狀碳酸酯、環狀醚類、鏈狀醚類、腈類及醯胺類中的一種或多種，如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸丁烯酯、γ-丁內酯、γ-戊內酯、碳酸二丙酯、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N-甲基甲醯胺、N-甲基乙醯胺、二甲基甲醯胺、二乙基甲醯胺、乙腈、丙腈、苯甲醚、丁二腈、己二腈、戊二腈、二甲亞碸、亞硫酸二甲酯、四乙二醇二甲醚(TEGDME)中的一種或幾種的組合。該電解質鹽根據金屬離子的種類進行選擇，可選擇先前技術中常用的金屬空氣電池電解質鹽。舉例來說，當該金屬空氣電池100為鋰空氣電池時，該電解液中的電解質鹽可以為鋰鹽，如氯化鋰（LiCl）、六氟磷酸鋰（LiPF6 ）、四氟硼酸鋰（LiBF4 ）、甲磺酸鋰（LiCH3 SO3 ）、三氟甲磺酸鋰（LiCF3 SO3 ）、六氟砷酸鋰（LiAsF6 ）、六氟銻酸鋰（LiSbF6 ）、高氯酸鋰（LiClO4 ）、Li[BF2 (C2 O4 )]、Li[PF2 (C2 O4 )2 ]、Li[N(CF3 SO2 )2 ]、Li[C(CF3 SO2 )3 ]、雙草酸硼酸鋰（LiBOB）及雙三氟甲烷磺醯亞胺鋰(LiTFSI)中的一種或多種。該電解液可以浸潤該正極10及負極20。
進一步地，該金屬空氣電池100可包括隔膜40，該隔膜40使該正極10與負極20電絕緣，並具有多孔結構，能夠使電解液通過。該隔膜40可以為聚烯烴多孔膜、玻璃纖維無紡布或樹脂無紡布等。
另外，該金屬空氣電池100還包括透氧膜50，該透氧膜50設置在該正極10一側，用於使氧氣進入正極10，並隔絕空氣中的水和二氧化碳進入正極10。另外，該該金屬空氣電池100還包括殼體60，該正極10、負極20、電解液30及隔膜40設置在該殼體中，該透氧膜50設置在該殼體60位於該正極10一側的開口處。
實施例1
從奈米碳管陣列中拉取獲得奈米碳管膜。通過磁控濺射法在奈米碳管膜表面形成Ru金屬顆粒。請參閱圖7，Ru顆粒粒徑約為3nm~5nm，均勻且分散的附著在該奈米碳管的管壁上。在奈米碳管紙表面層疊100層該表面形成Ru金屬顆粒的奈米碳管膜，形成鋰空氣電池正極。該100層奈米碳管膜分別沿相互垂直的方向層疊，使奈米碳管網路結構中奈米碳管的延伸方向相互垂直。奈米碳管紙為500層奈米碳管膜層疊得到，奈米碳管紙的厚度約為40微米。負極為金屬鋰。電解液為0.1mol/L的LiTFSI溶解於TEGDME中。將組裝的鋰空氣電池放電後將該正極取出，請參閱圖8，可以看到該奈米碳管的管壁上形成Li2 O2 固體顆粒，尺寸約為300nm~500nm。請參閱圖9，鋰空氣電池採用電流密度為500mA/g放電至截止比容量為1000mAh/g，放電電壓平臺為2.75V，與理論值2.96V非常接近，說明鋰空氣電池正極具有較高的電極反應效率。
實施例2
從奈米碳管陣列中拉取獲得奈米碳管膜。通過磁控濺射法在奈米碳管膜表面形成Pd金屬顆粒。請參閱圖10， Pd顆粒粒徑約為5nm~10nm，均勻且分散的附著在該奈米碳管的管壁上。在奈米碳管紙表面層疊100層該表面形成Pd金屬顆粒的奈米碳管膜，形成鋰空氣電池正極。該100層奈米碳管膜分別沿相互垂直的方向層疊，使奈米碳管網路結構中奈米碳管的延伸方向相互垂直。奈米碳管紙為500層奈米碳管膜層疊得到，奈米碳管紙的厚度約為40微米。負極為金屬鋰。電解液為0.1mol/L的LiTFSI溶解於TEGDME中。將組裝的鋰空氣電池放電後將該正極取出，請參閱圖11，可以看到該奈米碳管的管壁上形成Li2 O2 固體顆粒，尺寸約為300nm~500nm。請參閱圖12，鋰空氣電池採用電流密度為500mA/g放電至截止比容量為1000mAh/g，放電電壓平臺為2.8V，與理論值2.96V非常接近，說明鋰空氣電池正極具有較高的電極反應效率。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧金屬空氣電池正極
12‧‧‧奈米碳管網路結構
122‧‧‧奈米碳管膜
14‧‧‧催化劑顆粒
16‧‧‧正極集流體
20‧‧‧金屬空氣電池負極
22‧‧‧負極活性材料層
24‧‧‧負極集流體
30‧‧‧電解質
40‧‧‧隔膜
50‧‧‧透氧膜
60‧‧‧殼體
無
10‧‧‧金屬空氣電池正極
12‧‧‧奈米碳管網路結構
122‧‧‧奈米碳管膜
14‧‧‧催化劑顆粒

Claims (14)

  1. 一種金屬空氣電池正極，其改進在於，包括奈米碳管網路結構及設置在該奈米碳管網路結構中的催化劑顆粒，該奈米碳管網路結構包括多個相互層疊的奈米碳管膜，每層奈米碳管膜包括多個基本平行於該奈米碳管膜表面且基本沿相同方向延伸的奈米碳管。
  2. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，該催化劑顆粒的材料為Ru、Pt、Pd、Au、Rh及Ag中的至少一種。
  3. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，該催化劑顆粒的粒徑為1奈米~10奈米。
  4. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，該催化劑顆粒在該金屬空氣電池正極的質量百分比為50%~90%。
  5. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，單位面積的該奈米碳管網路結構擔載的催化劑顆粒的量為0.5mg/cm2 ~2mg/cm2 。
  6. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，該奈米碳管膜中基本沿相同方向延伸的奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。
  7. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，該奈米碳管網路結構的孔徑為10奈米~1µm奈米。
  8. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，該奈米碳管網路結構包括10~200層相互層疊的奈米碳管膜。
  9. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，該奈米碳管網路結構為自支撐結構，作為該金屬空氣電池正極的正極集流體。
  10. 如請求項1所述的金屬空氣電池正極，其中，進一步包括正極集流體，該奈米碳管網路結構設置在該正極集流體表面。
  11. 如請求項9所述的金屬空氣電池正極，其中，該正極集流體為金屬網、碳纖維織物層、奈米碳管紙、石墨烯層、石墨烯-奈米碳管複合層或裂解碳層。
  12. 如請求項9所述的金屬空氣電池正極，其中，該正極集流體為奈米碳管紙，該奈米碳管紙包括多個相互層疊的奈米碳管膜。
  13. 一種金屬空氣電池，其改進在於，包括：
    負極；
    如請求項1-12中任意一項所述的金屬空氣電池正極；以及
    電解質，該電解質設置在金屬空氣電池正極與負極之間。
  14. 如請求項13所述的金屬空氣電池，其中，該負極包括活性材料層，該活性材料層的材料為鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鋁、鋅、鐵、銀或上述金屬的合金。
TW104122768A 2015-06-25 2015-07-14 金屬空氣電池正極及金屬空氣電池 TWI600206B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510356571.3A CN106328964B (zh) 2015-06-25 2015-06-25 金属空气电池正极及金属空气电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201701520A true TW201701520A (zh) 2017-01-01
TWI600206B TWI600206B (zh) 2017-09-21

Family

ID=57602843

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104122768A TWI600206B (zh) 2015-06-25 2015-07-14 金屬空氣電池正極及金屬空氣電池

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20160380274A1 (zh)
CN (1) CN106328964B (zh)
TW (1) TWI600206B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019203129A1 (ja) * 2018-04-18 2019-10-24 シャープ株式会社 金属空気電池および金属空気電池の製造方法
CN108598627B (zh) * 2018-05-16 2020-11-13 东北大学秦皇岛分校 一种高容量钾-氧气电池
CN110777331A (zh) * 2019-11-07 2020-02-11 苏州第一元素纳米技术有限公司 金属包覆碳纳米管的制备方法
CN114976042A (zh) * 2021-02-18 2022-08-30 中国科学院福建物质结构研究所 一种复合材料及其制备方法和应用
CN113380987A (zh) * 2021-06-08 2021-09-10 复旦大学 一种碳纳米管缓冲层/钠复合负极及其制备方法与应用
CN114824328A (zh) * 2022-05-12 2022-07-29 吉林大学 一种光敏低温金属空气电池组及其制备方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1129168C (zh) * 2000-12-28 2003-11-26 西安交通大学 利用生成催化剂颗粒的碳纳米管薄膜阴极的制备方法
US8247136B2 (en) * 2005-03-15 2012-08-21 The Regents Of The University Of California Carbon based electrocatalysts for fuel cells
JP2009528254A (ja) * 2006-03-03 2009-08-06 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ イリノイ 空間的に配列したナノチューブ及びナノチューブアレイの作製方法
EP2494634A1 (en) * 2009-10-29 2012-09-05 Uchicago Argonne, LLC, Operator Of Argonne National Laboratory Autogenic pressure reactions for battery materials manufacture
US8951931B2 (en) * 2010-03-02 2015-02-10 Nippon Sheet Glass Company, Limited Noble metal fine particle supported catalyst and method for producing the catalyst, and purifying catalyst
WO2011133982A1 (en) * 2010-04-23 2011-10-27 Liox Power, Inc. Soluble oxygen evolving catalysts for rechargeable metal-air batteries
US20130115527A1 (en) * 2011-11-03 2013-05-09 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Rechargeable lithium air batteries
CN103183885B (zh) * 2011-12-28 2015-07-01 清华大学 碳纳米管复合膜
CN103187575B (zh) * 2011-12-28 2015-11-25 清华大学 薄膜锂离子电池的制备方法
CN103545528B (zh) * 2012-07-13 2016-03-09 清华大学 锂离子电池
CN102983380A (zh) * 2012-11-07 2013-03-20 华中科技大学 一种基于三维碳纳米管结构的锂空气电池及其制备方法
CN204991851U (zh) * 2015-06-25 2016-01-20 清华大学 金属空气电池正极及金属空气电池

Also Published As

Publication number Publication date
US20160380274A1 (en) 2016-12-29
CN106328964A (zh) 2017-01-11
CN106328964B (zh) 2019-04-23
TWI600206B (zh) 2017-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI600205B (zh) 鋰空氣電池正極及鋰空氣電池
TWI600206B (zh) 金屬空氣電池正極及金屬空氣電池
Zhang et al. Carbon enables the practical use of lithium metal in a battery
Xie et al. Dual functionalities of carbon nanotube films for dendrite-free and high energy–high power lithium–sulfur batteries
JP6374612B2 (ja) リチウム空気電池
JP6171010B2 (ja) 金属空気電池用エアーブリージングカソード
JP5637317B2 (ja) 金属空気電池
US20230253545A1 (en) Anodes, cathodes, and separators for batteries and methods to make and use same
Liao et al. Novel flower-like hierarchical carbon sphere with multi-scale pores coated on PP separator for high-performance lithium-sulfur batteries
KR20130001170A (ko) 리튬 공기 전지
JP5392356B2 (ja) 空気電池用空気極、及び、当該空気極を備えた空気電池
JP6278385B2 (ja) 非水系二次電池のプリドープ方法及びプリドープ方法により得られる電池
Lin et al. O2/O2–Crossover-and Dendrite-Free Hybrid Solid-State Na–O2 Batteries
JP6494854B2 (ja) 金属触媒が部分導入された副反応防止膜を有するリチウム−空気電池の正極、これを含むリチウム−空気電池及びこの製造方法
US10873079B2 (en) Low resistance, multivalent metal anodes
KR101561605B1 (ko) 양극산화 알루미늄 옥사이드 필름을 포함하는 리튬-공기 전지용 분리막 및 이를 포함하는 리튬-공기 전지
JP2014072079A (ja) 金属空気電池用の空気極
CN106257719B (zh) 电极材料及电池
CN204991851U (zh) 金属空气电池正极及金属空气电池
JP2019061901A (ja) 金属負極二次電池およびその製造方法
KR102050832B1 (ko) 리튬 공기 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지
US12009475B2 (en) All-solid-state battery including a solid electrolyte and methods of making thereof
JP2013218786A (ja) 非水系空気電池
US20210151790A1 (en) All-solid-state battery including a solid electrolyte and methods of making thereof
Fang et al. Advanced carbon-based nanostructure frameworks for lithium anodes