专利名称：一种锂空气电池空气电极及其制备方法
技术领域：
本发明属于锂空气电池技术领域，具体涉及一种锂空气电池空气电极及其制备方法。
背景技术：
LiCoO2和碳材料作为锂离子的正负极材料已成功商业化，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。因此，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。作为一种全新的金属空气电池，锂空气电池具有很好的电化学性能，由于作为正极的氧气(空气)并不需要贮存在电池中，在空气中的氧气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。但是目前正极的空气电极通常由贵金属催化剂(如Pt)组成，使锂空电池的成本增加，制约其产业化的发展。如果能成功采用新型廉价的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锂空气电池空气电极及其制备方法，这种制备方法可以减少空气电极中贵金属的含量，大大减少锂空气电池的成本，以克服现有技术不足。为实现本发明的目的，本发明采取以下技术方案来解决:一种锂空气电池空气电极，催化剂包括活性组分和多孔TaN纳米管；活性组分为:钼纳米颗粒、金纳米颗粒、α -MnO2纳米颗粒、β -MnO2纳米颗粒、Y -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；贵金属(钼、金)的含量少于氧电极总质量的4%。一种锂空气电池空气电极，其制备方法的主要步骤为:(I)将Ta片在NH4F中进行阳极电化学腐蚀，其中Ta作为阳极，Pt片作为负极；(2)步骤(I)得到的产物于NH3气氛中850 1100°C还原，得到TaN纳米管；(3)通过电化学沉积将空气电极的活性组分沉积到TaN纳米中。上述步骤(3)中的活性组分为钼纳米颗粒、金纳米颗粒、α-Μη02纳米颗粒、、β -MnO2纳米颗粒、Y -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；其中钼、金的一种或两种含量少于氧电极总质量的4%。本发明的锂空气电池空气电极具有良好的导电骨架，不仅具有良好催化活性，而且减少了空气电极中贵金属钼或金的用量。另外，制备的空气电极结构简单易于组装、使用方便。
具体实施方式
实施例1将Ta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Ta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TaO2纳米管在850°C，NH3气氛中高温还原lh，得到TaN纳米管。通过电化学沉积将Pt的纳米颗粒沉积到TaN纳米管中，电解液为0.25mM H2PtCl6溶解于0.1M HC1，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SOmVs—1，沉积10个循环，即得到Pt/TaN空气电极。该空气电极为IcmX Icm方形极片，厚度为lOOum，其中负载Pt纳米颗粒的TaN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,TaN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1860mAh 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Ta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Ta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TaO2纳米管阵列在1100°C，NH3气氛中高温还原lh，得到TaN纳米管。通过电化学 沉积将金的纳米颗粒沉积到TaN纳米管中，电解液为0.25mM H2AuCl6溶解于0.1M HC1，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20!^^，沉积10个循环，即得到Au/TaN的同轴套管结构。该复合电极为IcmX Icm方形极片，厚度为lOOum，其中负载金纳米颗粒的TaN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, TaN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2100mAh g'开路电位可达3.7V。充放电平台间的电位差为0.6V。实施例3将Ta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Ta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TaO2纳米管阵列置于ImM的钥酸铵溶液中lh，之后将取出的极片用清水小心冲洗，280°C烘干3h，将获得负载有MoO3的TaO2纳米管阵列置于管式炉中，在NH3气氛中1000°C高温还原，升温过程中升温速度为YCmin'即可得到MoN/TaN空气电极。基于该空气电极的锂空气电池的比容量达1970mAh g'开路电位可达3.7V。充放电平台间的电位差为0.5V。实施例4将Ta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Ta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TaO2纳米管阵列置于ImM的硫酸锰和ImM的硫酸钾混合溶液中lh，之后将取出的极片用清水小心冲洗，480°C烘干3h，将获得负载有MnO2的TaO2纳米管阵列置于管式炉中，在NH3气氛中850°C高温还原，升温过程中升温速度为5°C mirT1。即可得到MoN/TaN空气电极。基于该空气电极的锂空气电池的比容量可达2200mAh g'开路电位达3.8V。充放电平台间的电位差为0.6V。
权利要求
1.一种锂空气电池空气电极，其特征在于，空气电极包括活性组分和多孔TaN纳米管；活性组分为:钼纳米颗粒、金纳米颗粒、a-MnO2纳米颗粒、β-MnO2纳米颗粒、Y-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；其中钼、金的一种或两种含量少于氧电极总质量的4%。
2.一种制备权利要求1所述锂空气电池空气电极的方法，其特征在于，空气电极制备步骤为: (1)将Ta片在NH4F中进行阳极电化学腐蚀，其中Ta作为阳极，Pt片作为负极； (2)步骤(I)得到的产物于NH3气氛中850 1100°C还原，得至IJTaN纳米管阵列； (3)通过电化学沉积将活性组分沉积到TaN纳米中。
3.根据权利要求2所述的一种锂空气电池空气电极及其制备方法，其特征在于，活性组分为:钼纳米颗粒、金纳米颗粒、a -MnO2纳米颗粒、、β -MnO2纳米颗粒、Y -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；其中钼、金的一种或两种含量少于氧电极总质量的4%。
全文摘要
本发明公开了一种锂空气电池空气电极及其制备方法。空气电极包括多孔TaN纳米管和负载其上的催化活性组分，催化活性组分通过电沉积、化学沉积或者高温氮化的方法，沉积或负载于多孔TaN的纳米管中而制得空气电极。本发明减少了空气电极中的贵金属含量，大大降低锂空气电池的成本，而且空气电极结构简单易于组装、使用方便。
文档编号B82Y30/00GK103165905SQ20131006434
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者银凤翔, 陈标华, 陈丹 申请人:北京化工大学常州先进材料研究院