[发明专利]一种锂空气电池空气电极及其制备方法

说明书

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：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；贵金属（铂、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： 

（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（l）得到的产物于NH₃气氛中850～1100℃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%。 

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铂或金的用量。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l 

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℃，NH₃气氛中高温还原1h，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 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/TaN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℃，NH₃气氛中高温还原1h，得到TaN纳米管。