金属空气电池正极及金属空气电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种金属空气电池，尤其设及一种含有碳纳米管的金属空气电池 正极及金属空气电池。
【背景技术】
[0002] 金属空气电池是使用氧气作为正极活性材料的电池，具有能量密度高、容易小型 化和轻量化等优点，近年来逐渐受到人们的广泛关注。根据负极金属的不同，金属空气电池 包括裡空气电池、儀空气电池、锋空气电池和侣空气电池等。
[0003] 金属空气电池的工作原理是：在放电过程中，负极产生金属离子及电子，金属离子 穿过电解质材料，并在正极与氧气W及电子结合，生成固体的金属氧化物；在充电过程中， 固体的金属氧化物分解，形成金属离子、氧气及电子，金属离子穿过电解质材料，在正极与 电子结合形成金属。正极的化学反应式为2M++〇2+2e*^M2化，负极的化学反应式为M++e。 金属空气电池的正极一般包括作为导电载体的多孔碳材料及负载在多孔碳上的催化剂。由 于放电过程在正极生成不溶的金属氧化物，运些金属氧化物不断堆积在导电碳材料的孔道 内，造成氧气与金属离子在正极中的传输能力降低，从而使氧化还原反应速率降低，造成金 属空气电池的能量转化效率及功率密度降低。在碳材料中，碳纳米管具有极高的比表面积， 能够为催化剂提供更多的担载空间。 【实用新型内容】
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种利用碳纳米管作为催化剂载体的金属空气电池正极 及金属空气电池。 阳〇化]一种金属空气电池正极，包括碳纳米管网络结构及设置在该碳纳米管网络结构中 的催化剂颗粒，该碳纳米管网络结构包括多个相互层叠的碳纳米管膜，每层碳纳米管膜包 括多个基本平行于该碳纳米管膜表面，且基本沿相同方向延伸的碳纳米管。
[0006] 一种金属空气电池，包括：负极；上述的金属空气电池正极；W及电解质，该电解 质设置在金属空气电池正极与负极之间。
[0007]与现有技术相较，由于该金属空气电池正极碳纳米管基本平行于该碳纳米管膜表 面，使该碳纳米管膜具有较小的厚度，并且由于碳纳米管之间存在大量间隙，使金属离子和 氧气能够容易的深入该金属空气电池正极内部，从而使催化剂颗粒的利用率最大化。
【附图说明】
[0008] 图1为本实用新型实施例提供的金属空气电池正极结构示意图。
[0009]图2为本实用新型实施例提供的金属空气电池正极的碳纳米管膜的扫描电镜照 片照片。
[0010] 图3为本实用新型另一实施例提供的金属空气电池正极的结构示意图。
[0011] 图4为本实用新型又一实施例提供的金属空气电池正极的结构示意图。
[0012] 图5为本实用新型实施例提供的碳纳米管纸的光学照片。
[0013] 图6为本实用新型实施例提供的金属空气电池的结构示意图。
[0014] 图7为本实用新型实施例提供的Ru催化剂金属空气电池正极的透射电镜（TEM) 照片。
[0015] 图8为本实用新型实施例提供的Ru催化剂金属空气电池正极放电后的扫描电镜 (SEM)照片。
[0016] 图9为本实用新型实施例提供的Ru催化剂裡空气电池放电曲线。
[0017] 图10为本实用新型实施例提供的Pd催化剂金属空气电池正极的TEM照片。
[00化]图11为本实用新型实施例提供的Pd催化剂金属空气电池正极放电后的沈M照 片。
[0019] 图12为本实用新型实施例提供的Pd催化剂裡空气电池放电曲线。
[0020] 主要元件符号说明
[0021]
[0022] 如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本实用新型。
【具体实施方式】
[0023] 请参见图1，本实用新型实施方式提供一种金属空气电池正极10,包括碳纳米管 网络结构12及设置在该碳纳米管网络结构12中的碳纳米管的管壁上的催化剂颗粒14。该 碳纳米管网络结构12包括多个相互层叠的碳纳米管膜122。
[0024] 每层碳纳米管膜122包括多个基本平行于该碳纳米管膜122表面，且基本沿相同 方向排列的碳纳米管，即该碳纳米管膜122为定向碳纳米管膜。请参阅图2,该定向的碳纳 米管膜122优选为从碳纳米管阵列中拉取获得的自支撑的碳纳米管膜，该碳纳米管膜122 由若干碳纳米管组成，所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向排列。所述择优取向是指 在碳纳米管膜122中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数 碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管膜122的表面。进一步地，所述碳纳米管膜 122中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管膜122中基本朝同 一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德 华力首尾相连，从而使该碳纳米管膜122能够实现自支撑。当然，所述碳纳米管膜122中存 在少数随机排列的碳纳米管，运些碳纳米管不会对碳纳米管膜122中大多数碳纳米管的整 体取向排列构成明显影响。进一步地，所述碳纳米管膜122可包括多个连续且定向排列的 碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个 相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。另外，所述碳纳 米管膜122中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可W适当的弯曲； 或者并非完全按照延伸方向上排列，可W适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管膜 122的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。由 于从碳纳米管阵列中拉取获得的碳纳米管膜122具有较大的比表面积，因此，该碳纳米管 膜122具有较大的粘性。
[0025]所述自支撑是碳纳米管膜122不需要大面积的载体支撑，而只要一边或相对两边 提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜122置于(或固定于） 间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管膜122能够悬空保 持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管膜122中存在连续的通过范德华力首尾相 连延伸排列的碳纳米管而实现。
[00%] 在该金属空气电池正极10中，该多个定向的碳纳米管膜122可W沿相同方向层叠 设置或者沿至少两个不同方向层叠设置。当该多个定向的碳纳米管膜122沿相同方向层 叠设置时，该金属空气电池正极10中的绝大多数碳纳米管沿相同方向延伸。请参阅图3， 当该多个定向的碳纳米管膜122沿至少两个不同方向层叠设置时，沿不同方向层叠的碳纳 米管膜122中的碳纳米管之间相互交叉，W形成一夹角0，0大于0度且小于或等于90 度（0。<0《90。），优选为90。。在该金属空气电池正极10中，该碳纳米管膜122的层 数不限，可根据实际需要选择，优选为10~200层碳纳米管膜122相互层叠设置，更优选为 100~200层碳纳米管膜122相互层叠设置。碳纳米管膜122数量过少，可用于担载催化剂 颗粒14的碳纳米管较少，碳纳米管膜122数量过多，碳纳米管间的微孔减小，不利于金属离 子及氧气的传输。该碳纳米管网络结构12中的微孔孔径优选为10纳米~1曲!纳米。该多 个碳纳米管之间直接接触并通过范德华力紧密结合，从而形成一自支撑的碳纳米管网络结 构12,在该碳纳米管网络结构12中相邻的碳纳米管相互连接，从而形成一导电网络。由于 该碳纳米管膜122具有极薄的厚度，将多层碳纳米管膜122层叠设置后该碳纳米管网络结 构12仍然具有较薄的厚度。100~200层碳纳米管膜122层叠的厚度约为4~10化。可W理 解，由于该碳纳米管膜122可W从阵列中拉取获得，因此具有较为均匀的厚度，将该多个碳 纳米管膜122层叠设置后形成的碳纳米管网络结构12也具有较为均匀的厚度，从而具有较 为均匀的电导率。 W27] 该催化剂颗粒14的材料可W为贵金属，如Ru、Pt、PtAu、化或Ag。该催化剂颗 粒14的尺寸优选为1纳米~10纳米。该催化剂颗粒14均匀分布于该碳纳米管网络结构12 中，通过碳纳米管的管壁吸附固定。表面担载有该催化剂颗粒14的碳纳米管之间仍然具有 大量间隙，该金属空气电池正极10整体为多孔结构，有利于金属离子及氧气的渗透。该金 属空气电池正极10中催化剂颗粒14的质量百分比可W为50%~90%，优选为75%~85%。单位 面积的碳纳米管网络结构12担载的催化剂颗粒14的量可W为0. 5mg/cm2~2mg/cm2。
[0028] 该金属空气电池正极10可W仅由催化剂颗粒14和碳纳米管组成，该金属空气电 池正极10的碳纳米管膜122为自支撑结构，既能起到集流体的作用，又可W负载催化剂颗 粒14,无需另外设置集流体。
[0029] 请参阅图4,在另一实施例中，该金属空气电池正极10可进一步包括正极集流体 16,该碳纳米管膜122层叠设置在该正极集流体16表面。该正极集流体16用于将该碳纳 米管膜122与外电路连接。该正极集流体16可W为自支撑的多孔导电层状结构。在一实 施例中，该正极集流体16可W是金属网，金属可列举为儀、侣、铜、铁或不诱钢。在另一实施 例中，该正极集流体16由碳材料形成，如碳纤维织物层、碳纳米管纸、石墨締层、石墨締-碳 纳米管复合层或裂解碳层。
[0030] 请参阅图5,在一优选的实施例中，该正极集流体16为碳纳米管纸，该碳纳米管纸 为黑色的薄片状，自支撑，可W如纸张般柔性、耐弯折，且具有初性。该碳纳米管纸的厚度可 W为500纳米~500微米。该碳纳米管纸可W由50~1000层相互层叠的碳纳米管膜122组 成。每层碳纳米管膜122包括多个基本沿相同方向排列的碳纳米管，即该碳纳米管膜122 为定向碳纳米管膜。该碳纳米管纸中的碳纳米管膜122可W与该碳纳米管网络结构12中 的碳纳米管膜122结构相同，均为从碳纳米管阵列中拉取获得的自支撑的碳纳米管膜122。 由于该碳纳米管膜122具有较大的比表面积，因此该碳纳米管膜122具有较大粘性，在该碳 纳米管纸中，相邻的碳纳米管膜122间通过范德华力相互吸引，一旦层叠就不可分开，从而 形成整体结构。该碳纳米管纸中碳纳米管之间存在微孔，能够使氧气通过。
[0031] 优选地，该碳纳米管纸中的碳纳米管膜122沿相同方向层叠，使该碳纳米管纸由 基本沿相同方向排列的碳纳米管组成。基本沿相同方向排列的碳纳米管使碳纳米管纸在特 定方向上具有优异的导电性。该碳纳米管纸在金属空气电池正极10中用作正极集流体