[发明专利]一种金属空气电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种金属空气电池，包括空气电极、金属电极以及设置在所述空气电极和所述金属电极之间的电解液，所述空气电极包括基体以及设置在所述基体表面的硼氮共掺杂金刚石层，所述硼氮共掺杂金刚石层包括设置于所述基体表面的平整结构层和设置于所述平整结构层表面的阵列凸起结构。所述阵列凸起结构提高了空气电极比表面积，暴露出更多的活性位点，使得电子易于在粒子表面传输，可减少粒子组分的扩散阻力及距离，增大了其还原能力，从而使得金属空气电池的催化效率提高。

技术领域

本发明涉及金属空气电池领域，特别是涉及一种金属空气电池及其制备方法。

背景技术

金属空气电池是以金属为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的一种特殊燃料电池，具有良好的发展和应用前景，甚至被寄予厚望替代当前新能源汽车主要的动力电池类型。制作金属空气电池可选用的原材料比较丰富，目前已经取得研究进展的金属空气电池主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池等。这几种类型的金属空气电池有的已经具备大规模量产的条件，有的还停留在实验室阶段，有的已经在电动汽车方面取得良好的应用成果，并即将大规模装载新能源车辆。

在氧化还原反应中，氧还原按反应途径可分为两类：两电子(O2+2H++2e-→H2O2)过程和四电子(O2+4H++4e-→2H2O)过程。两电子反应在环境污染控制和化工合成领域具有重要作用，但是在能量转换领域，阴极氧还原通过四电子途径反应时的电催化效率更高，而阴极四电子氧还原反应速率慢是制约金属-空气电池能量转换效率的一个最主要的因素。因此，开发一种高催化效率的金属空气电池是十分重要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种金属空气电池，其中空气电极包括基体以及设置在所述基体表面的硼氮共掺杂金刚石层，所述硼氮共掺杂金刚石层包括设置于所述基体表面的平整结构层和设置于所述平整结构层表面的阵列凸起结构，所述阵列凸起结构提高了比表面积，暴露出更多的活性位点，使得电子易于在粒子表面传输，可减少粒子组分的扩散阻力及距离，增大了其还原能力，从而使得金属空气电池的催化效率提高。

第一方面，本发明提供了一种金属空气电池，包括空气电极、金属电极以及设置在所述空气电极和所述金属电极之间的电解液，所述空气电极包括基体以及设置在所述基体表面的硼氮共掺杂金刚石层，所述硼氮共掺杂金刚石层包括设置于所述基体表面的平整结构层和设置于所述平整结构层表面的阵列凸起结构。

可选的，所述阵列凸起垂直设置于所述平整结构层上。

可选的，所述阵列凸起的形状为棱柱、棱锥或圆锥。

可选的，所述阵列凸起的形状为棱锥或圆锥，棱锥或圆锥状的所述阵列凸起的顶端曲率半径为1nm-30nm。

可选的，所述阵列凸起结构的长径比为20-80，尖部直径为60nm-200nm，底部直径为100nm-1000nm，密度为104cm-2-109cm-2。

可选的，所述平整结构层的厚度为100nm-5μm，所述阵列凸起的高度为50nm-5μm。

可选的，所述基体的材质包括钛、钽、铌、钼、铬、硅、石墨、碳纤维和硬质合金中的一种或多种。