[发明专利]一种钌/碳纳米管柔性正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钌/碳纳米管柔性正极材料及其制备方法和应用，属于能源储存和纳米材料制备技术领域。具体为采用滤纸作为柔性多孔基体，结合碳纳米管吸附与钌纳米颗粒的负载工艺来制备高性能的电池柔性正极材料。该钌/碳纳米管柔性正极材料在有机电解液中表现出较高的放电容量和优异的循环稳定性，解决了常规方法制备获得的正极材料柔性较差和循环不稳定的问题，尤其是高比能柔性锂氧电池的关键电极材料规模化生产难题。

技术领域

本发明属于能源储存和纳米材料制备技术领域，具体涉及一种钌/碳纳米管柔性正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，单一化石能源的过渡开采利用引发了严重的能源与环境危机。为了解决能源结构单一带来的诸多问题，人们逐渐开始关注清洁能源的开发，但是清洁能源(如风能、太阳能和地热能)存在季节性、区域性和间歇性等分布特征，限制了其合理应用。为了更高效和合理地应用清洁能源，新型能源储存与转化技术应用而生，例如锂离子电池、燃料电池、超级电容器和金属空气电池等，其中已经商业化的锂离子电池极大地方便了人们的生活与生产。由于锂离子电池的能量密度已经接近其理论值，无法满足人们对更远、更久续航动力电池的需求。于是，人们开始探索能量密度更高的电池动力系统，其中，锂氧电池由于在所有可充电电池中具有最高的理论能量密度(11700W h kg^-1)而备受关注。尽管具有如此高的理论能量密度，锂氧电池的实际能量密度与倍率性能远未达到人们的期望，这主要受限于提供催化活性和储存放电产物的正极材料。而且，目前人们对人工智能、人机交互和健康监测等技术的需求推动了可穿戴电子设备的发展，具有更便捷应用的可穿戴电子设备的发展依赖电极基体的柔性特征。因此，高效、柔性正极材料的开发成为高比能、可穿戴锂氧电池走向实际应用的关键。

锂氧电池的正极材料一般由导电基体和电催化材料复合而成成，一方面，大多数导电基体(如泡沫镍和碳纸等)成本较高、柔性较差，不利于锂氧电池的规模化和可穿戴器件应用；另一方面，目前采用的正极电催化材料的活性和稳定性较差，严重制约了锂氧电池能量效率与循环稳定性的提高。滤纸作为一种廉价、易得、多孔的柔性基体广泛应用于电化学储能器件中，钌基催化材料对锂氧电池中的电化学反应具有较高的催化活性，因此，滤纸与钌纳米颗粒的复合有望推动低成本、长续航、柔性锂氧电池的发展和实际应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种钌/碳纳米管柔性正极材料及其制备方法和应用，所制备的正极材料应用于锂氧电池有机电解液中。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种钌/碳纳米管柔性正极材料，该正极材料是由滤纸和钌/碳纳米管纳米复合物组成；其中：所述滤纸作为正极材料的柔性基体；所述钌/碳纳米管纳米复合物是钌纳米颗粒沉积在碳纳米管上，并负载于柔性基体滤纸上。

所述滤纸为实验室用定量滤纸，其厚度为0.2-1mm，孔径范围为1-120μm；钌/碳纳米管纳米复合物是由钌纳米颗粒和多壁碳纳米管复合而成，钌纳米颗粒尺寸为1-20nm，多壁碳纳米管管径为6-50nm，壁厚为2-10nm，长度为0.5-30μm。

该正极材料中，钌纳米颗粒的重量百分含量为1-5wt％，碳纳米管的重量百分含量为4-8wt％。所述钌/碳纳米管柔性正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)碳纳米管分散液的制备：取50-100毫克碳纳米管，放在100毫升去离子水中，室温下超声分散8-12小时，得到碳纳米管分散液；

(2)碳纳米管/滤纸柔性基体的制备：取一片直径为3-6cm的定量滤纸浸入在步骤(1)中获得的碳纳米管分散液中，常温下超声2-4小时，取出滤纸，在室温下干燥8-12小时，重复此过程3-6次，得到碳纳米管/滤纸柔性基体；