[发明专利]一种中性铝-空气电池正极材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种中性铝‑空气电池正极材料的制备方法，包括步骤：（1）氮掺杂碳纳米管的制备。（2）金属氧化物/碳纳米管复合物的制备。（3）聚吡咯修饰的金属氧化物/碳纳米管复合物的制备。（4）聚多巴胺修饰PPY/M‑O/N‑CNT复合物（PDA/PPY/M‑O/N‑CNT）的制备。（5）PDA/PPY/M‑O/N‑CNT高温热解。本发明通过对催化剂的活性位点进行有效保护，极大地提高了催化剂的稳定性；通过使用这种高稳定性的催化剂作为中性铝‑空气电池的正极材料，极大地提高电池的循环使用寿命；通过机械式更换负极铝片，实现电池的快速机械式充电的目的。该中性铝‑空气电池在实际中有很广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于新型能源化学材料领域，具体涉及到一种中性铝-空气电池正极材料的制备方法与应用。

背景技术

铝-空气电池以铝Al为负极、氧气为正极，电解质通常采用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液。铝摄取空气中的氧气，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。在碱性电解质溶液中，铝-空气电池的理论比能量可达8100Wh×kg^-1，目前，铝-空气电池的实际比能量只达到400Wh×kg^-1左右，但即使如此，它的实际比能量也是铅酸电池的8倍、镍氢电池的6倍、锂电池的2.4倍左右。采用铝-空气电池的车辆能够明显提高续驶里程，据介绍，国外在使用铝-空气电池的电动汽车上，有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录。而且铝对人体不会造成伤害，不污染环境，可以回收循环使用，。铝的原材料丰富，已具有大规模的铝冶炼厂，生产成本较低。铝回收再生方便，回收再生成本也较低。而且可以采用更换铝电极的方法，来解决铝-空气电池充电较慢的问题。

然而，尽管铝空气电池有高的比能量，但比功率较低，充电和放电速度比较缓慢，电压滞后；在强碱性电解质溶液中，由于负极铝的自发溶解而容易导致电池的自发放电。此外，从目前的实际使用情况看，铝-空气电池的正极材料基本上采用碳材料，或锰氧化物/碳的复合物，但它们对氧还原反应的效率低，严重制约了电池的放电。

发明内容

本发明的目的是提供一种中性铝-空气电池正极材料，本发明的目的还提供了一种中性铝-空气电池正极材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明的实施方案为：一种中性铝-空气电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）氮掺杂碳纳米管的制备；

（2）将上述氮掺杂碳纳米管与金属盐水溶液混合，并搅拌，用0.5mol×L^-1的NaOH溶液调节混合溶液的pH值至8；随后将混合溶液加热至180^oC并保持4h；冷却至室温后，过滤，所得颗粒用水洗至中性，50^oC下真空干燥，得到金属氧化物/碳纳米管复合物（M-O/N-CNT）；

所述氮掺杂碳纳米管与金属盐水溶液的质量:体积为500mg:120 mL;金属盐水溶液为浓度为0.01 mol×L^-1醋酸镍溶液与浓度为0.01 mol×L^-1醋酸钴溶液的混合溶液，醋酸镍溶液与醋酸钴溶液的体积比为1:(0.5~3)。

（3）将金属氧化物/碳纳米管复合物（M-O/N-CNT）与十二烷基苯磺酸钠混合，加入少量无水乙醇，研磨，然后自然蒸发乙醇，加入水，充分搅拌，直至形成均匀的分散液；接着往该分散液中通入氮气，以赶走其中的氧气；然后0^oC水浴，加入吡咯，搅拌均匀后，再逐滴加入浓度为20%（wt%）的三氯化铁溶液；最后在缓慢搅拌下充分反应，过滤，所得固体用水洗至中性；40^oC下真空干燥h，得到PPY/M-O/N-CNT颗粒；