[发明专利]一种锂空气电池的电极材料及其制备方法和锂空气电池

说明书

本发明涉及一种锂空气电池的电极材料及其制备方法和锂空气电池。一种锂空气电池的电极材料,包括碳纳米管,电极材料为锂空气电池正极材料，为一种利用弧光放电等离子体和磁过滤沉积技术结合制备的固体源包覆的碳纳米管，其通过磁过滤筛选弧光放电等离子体技术将固体源包覆在碳纳米管表面；本发明的创新之处在于通过磁过滤筛选弧光放电等离子体技术将固体源包覆在碳纳米管表面，并作为正极活性材料应用于锂空气电池中，隔绝了电池充放电过程中亲核反应对碳纳米管的影响，减少副反应的发生，进而提升电池的库伦效率和循环寿命。

技术领域

本发明涉及一种电池电极材料及其的制备方法及应用领域，特别是涉及锂空气电池,为一种锂空气电池的电极材料及其制备方法和锂空气电池。

背景技术

新能源技术的快速发展,电池得到了广泛的应用,而锂金属负极具有超高的的理论比容量（3860 mAh g^-1），极低的氧化还原电位（-3.04 V）和较低的质量密度（0.534 g cm^-3），因而被视作下一代高比能量领域的“圣杯”。当以O₂作为正极材料时，所组成锂氧电池（Li-O₂）的理论比能量高达5200 Wh kg^-1，远高于常规的锂离子电池体系，最有望成为新一代电动汽车的动力能源。其储能原理是基于如下反应：

然而在没有催化剂存在的情况下，氧气在阴极的还原反应非常缓慢，为了降低正极反应过程中的电化学极化，需要加入高效的催化剂。目前研究较多的催化剂种类主要有贵金属（如钯Pd、铂Pt、 金Au、钌Ru等）、碳材料、非金属催化剂（如金属氧化物、硫族化合物等）和可溶性的氧化还原介质等。

其中，以石墨烯、碳纳米管（CNTs）为代表的碳材料具有来源多样、易造孔、电导率和化学稳定性良好等优点，且具有良好的氧还原反应（ORR, oxygen reduction reaction）活性，是锂空气电池电极材料的重要组成部分。但是碳基材料作为空气电极也存在一些局限性，如本身的氧析出反应活性一般，抗氧化能力较差，易与中间产物反应形成Li₂CO₃等难分解副产物，而后者是锂空气电池性能衰减的直接诱因。因此在碳材料表面包覆能够促进氧气析出的催化剂、并隔绝中间产物O₂对碳材料的亲核反应，是碳基活性材料空气电极的常规制备方法。

传统的包覆方法主要是化学共沉淀法、化学原位置换法等，这些技术存在着一定的缺陷，例如难以得到表面均匀的涂层，所制备的涂层与碳基底的结合力较差等问题，导致锂空气电池容量难以达到理想状态。此外，上述方法在合成过程中也需要引入其他有机溶剂，不仅操作步骤繁琐，而且也存在环境污染等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂空气电池的电极材料，本发明率先将弧光放电等离子体和磁过滤相结合，本发明方法是在真空环境下，利用弧光放电产生等离子体，通过磁过滤装置过滤掉大颗粒，在基底表面形成均一紧密的膜层,完成固体源在碳纳米管表面的沉积包覆, 获得被固体源包覆的碳纳米管作为锂空气电池的正极材料。

一种锂空气电池的电极材料，包括碳纳米管，所述的电极材料为锂空气电池正极材料，为一种利用弧光放电等离子体和磁过滤沉积技术结合制备的固体源包覆的碳纳米管，其通过磁过滤筛选弧光放电等离子体技术将固体源包覆在碳纳米管表面。

优选的，所述固体源至少为金属氧化物、硫族化合物中的一种。

优选的，所述固体源至少为二氧化钌（RuO₂）、二氧化锰（MnO₂）中的一种。

优选的，该气体为二氧化碳、氩气或者氮气。

本发明的另一目的是提供了一种锂空气电池的电极材料制备方法，一种弧光放电等离子体磁过滤制备正极材料的方法，将起催化剂作用的固体源压成棒源，将碳纳米管进行预处理并分散在沉积基底上，经弧光放电等离子体磁过滤装置即可获得。