空氣電極的制備方法、空氣電極和包括空氣電極的電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空氣電極、該空氣電極的制備方法以及包括該空氣電極的電化學(xué)可充電鋅-空氣電池。該空氣電極提高了電極反應(yīng)區(qū)域中的氧氣、堿性電解液以及固體催化劑三相反應(yīng)的接觸位點(diǎn)密度，在整個(gè)電極立體空間內(nèi)為氧氣的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)提供電荷轉(zhuǎn)移的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力，使得電池的能量密度、功率密度以及容量性能得到提升，充放電過程的極化程度大幅度降低。本發(fā)明的空氣電極的制備工藝簡單，采用高溫煅燒、熱壓成型工藝技術(shù)，易于進(jìn)行批量化生產(chǎn)，使用的原料價(jià)格低廉，制備過程環(huán)保。該空氣電極和包括該空氣電極的電池經(jīng)濟(jì)實(shí)用，性能優(yōu)異，具備重要應(yīng)用前景。
【專利說明】空氣電極的制備方法、空氣電極和包括空氣電極的電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種空氣電極的制備方法、空氣電極和包括空氣電極的電池。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬-空氣電池因正極使用空氣原料而具有能量密度高、功率密度高、價(jià)格低、質(zhì)量輕便、原料無需專門儲(chǔ)備等優(yōu)點(diǎn)，從而得到人們廣泛的研究。目前，研究較多的金屬-空氣電池主要有鋰-空氣電池和鋅-空氣電池。其中，鋰-空氣電池的理論容量密度達(dá)到3862mAh/g，能量密度達(dá)到11972Wh/kg。鋅-空氣電池具有能量密度高、充放電循環(huán)壽命長、工作電壓平穩(wěn)、容量大、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，鋰-空氣電池和鋅-空氣電池體系迅速成為研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)，并有望在便攜設(shè)備、電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、電動(dòng)汽車等方面得到廣泛應(yīng)用。
[0003]電化學(xué)可充電金屬-空氣電池的正極組件為雙功能空氣電極，在空氣電極內(nèi)部，空氣中的氧氣、堿性電解質(zhì)水溶液中的氫氧根(0H-)在固體催化劑表面發(fā)生氣、液、固三相電催化氧化還原反應(yīng)，如圖1所示。其中，在電池充電過程中，發(fā)生氧氣析出反應(yīng)(oxygenevolution reaction, OER);在電池放電過程中，發(fā)生氧氣還原反應(yīng)(oxygen reductionreaction, 0RR)。目前，因?yàn)镺ER和ORR兩種反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程緩慢，過電勢(shì)較高而一直制約著可充電鋅-空氣電池的整體性能，并成為世界上重大的技術(shù)難題。
[0004]針對(duì)該技術(shù)問題，解決的途徑主要集中于開發(fā)高效的雙功能催化劑，但是僅僅通過開發(fā)高性能的催化劑依然不能使金屬-空氣電池成功走向大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
[0005]現(xiàn)有的空氣電極中將集流體201、擴(kuò)散層202和催化層203彼此明確分開，如圖2所示，不利于空氣中的氧氣、堿性電解液中的氫氧根與固體催化劑充分接觸并發(fā)生電催化反應(yīng)，往往產(chǎn)生較高的過電勢(shì)，導(dǎo)致電化學(xué)性能不能滿足實(shí)際需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。
[0007]為此，本發(fā)明的第一目的在于提出一種空氣電極的制備方法。本發(fā)明的第二目的在于提出一種空氣電極。本發(fā)明的第三目的在于提出一種包括上述空氣電極的電池。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明第一方面的實(shí)施例的空氣電極的制備方法，可以包括以下步驟:A.制備多種比例不同的復(fù)合層前驅(qū)懸濁液，所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液含有疏水劑、親水劑、導(dǎo)電劑和催化劑；B.提供集流體；C.將多種所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液按照預(yù)定順序涂覆到所述集流體兩側(cè)表面，每次涂覆完一種所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液后，進(jìn)行干燥和壓實(shí)以使所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液轉(zhuǎn)化為復(fù)合層，其中所述預(yù)定順序?yàn)檠刂扛灿诳諝鈧?cè)到涂覆于電解液側(cè)的方向，所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中的所述疏水劑的含量逐漸減少、所述親水劑的含量逐漸增加、所述導(dǎo)電劑的含量逐漸增加以及所述催化劑的含量逐漸增加；D.進(jìn)行高壓壓實(shí)和煅燒。[0009]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極的制備方法，打破傳統(tǒng)空氣電極中催化層和擴(kuò)散層清晰的分界面，通過連續(xù)改變親水劑、疏水劑、導(dǎo)電劑及催化劑的含量，制備含有多個(gè)復(fù)合層的高度結(jié)構(gòu)化的空氣電極。該空氣電極在氧化還原反應(yīng)過程中，空氣中的氧氣、堿性電解液中的氫氧根通過親水劑、疏水劑形成的毛細(xì)孔表面進(jìn)行遷移，在電極內(nèi)部顯著擴(kuò)大了氣、液、固三相反應(yīng)空間區(qū)域。因此，該空氣電極大大提高了氧氣、堿性電解液以及催化劑接觸位點(diǎn)及空間密度，降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力。該空氣電極應(yīng)用于金屬-空氣電池體系中能大幅度提高電池能量密度、功率密度以及容量性質(zhì)。本發(fā)明空氣電極的制備方法工藝簡單、易于進(jìn)行批量化生產(chǎn)，原料價(jià)格低廉，制備過程環(huán)保，制得的空氣電極經(jīng)濟(jì)實(shí)用，性能優(yōu)異，具備重要應(yīng)用前景。
[0010]另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的還具有如下附加技術(shù)特征:
[0011]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，所述多種復(fù)合層前驅(qū)懸池液中所述疏水劑的含量從30-100W.t%逐漸減少到0_40w.t%。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，所述多種復(fù)合層前驅(qū)懸池液中所述親水劑的含量從0-20w.t%逐漸增加到0-35w.t%。
[0013]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，所述多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中所述導(dǎo)電劑的含量從0-70w.t%逐漸增加到20-80w.t%。
[0014]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，所述多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中所述催化劑的含量從0-70w.t%逐漸增加到30-80w.t%。
[0015]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述疏水劑為聚四氟乙烯乳液和Nafion乳液中的一種或二者的組合。
[0016]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述親水劑為親水類分子篩、聚醇類物質(zhì)中的一種或多種的組合。
[0017]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述導(dǎo)電劑為石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯和摻氮的氧化石墨烯中的一種或至少一種的組
口 ο
[0018]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述集流體為鎳金屬、鎳合金、鈦金屬或鈦合金。
[0019]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述催化劑為貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑、碳基催化劑、螯合物催化劑中的一種或至少一種的組合。
[0020]根據(jù)本發(fā)明第二方面的實(shí)施例的空氣電極，通過上述任一種空氣電極的制備方法制得。
[0021]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極，在氧化還原反應(yīng)過程中，空氣中的氧氣、堿性電解液中的氫氧根通過親水劑、疏水劑形成的毛細(xì)孔表面進(jìn)行遷移，在電極內(nèi)部顯著擴(kuò)大了氣、液、固三相反應(yīng)空間區(qū)域。因此，該空氣電極大大提高了空氣中氧氣、堿性電解液以及催化劑接觸位點(diǎn)密度，降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力。該空氣電極應(yīng)用于金屬-空氣電池體系中能大幅度提高電池能量密度、功率密度以及容量性質(zhì)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明第三方面的實(shí)施例的空氣電極，包括:集流體；形成在所述集流體兩側(cè)的多個(gè)復(fù)合層，每個(gè)所述復(fù)合層含有疏水劑、親水劑、導(dǎo)電劑和催化劑，其中，在所述多個(gè)復(fù)合層中，沿著空氣側(cè)到電解液側(cè)的方向，所述疏水劑的含量逐漸減少、所述親水劑的含量逐漸增加、所述導(dǎo)電劑的含量逐漸增加以及所述催化劑的含量逐漸增加。[0023]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極，在氧化還原反應(yīng)過程中，空氣中的氧氣、堿性電解液中的氫氧根通過親水劑、疏水劑形成的毛細(xì)孔表面進(jìn)行遷移，在電極內(nèi)部顯著擴(kuò)大了氣、液、固三相反應(yīng)空間區(qū)域。因此，該空氣電極大大提高了空氣中氧氣、堿性電解液以及催化劑接觸位點(diǎn)密度，降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力。該空氣電極應(yīng)用于金屬-空氣電池體系中能大幅度提高電池能量密度、功率密度以及容量性質(zhì)。
[0024]另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極還具有如下附加技術(shù)特征:
[0025]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述疏水劑為聚四氟乙烯和Nafion中的一種或二者的組合。
[0026]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，親水劑為親水類分子篩、聚醇類物質(zhì)中的一種或多種的組合。
[0027]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述導(dǎo)電劑為石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯和摻氮的氧化石墨烯中的一種或至少一種的組
口 ο
[0028]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述集流體為鎳金屬、鎳合金、鈦金屬或鈦合金。
[0029]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述催化劑為貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑、碳基催化劑、螯合物催化劑中的一種或至少一種的組合。
[0030]根據(jù)本發(fā)明第四方面的實(shí)施例的電池，包括上述任一種空氣電極，所述空氣電極用于進(jìn)行催化氧氣還原反應(yīng)和/或氧氣析出反應(yīng)。
[0031]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電池，具有電池能量密度高、功率密度高以及容量大的性質(zhì)。
[0032]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0034]圖1是氣、液、固三相電催化氧化還原反應(yīng)示意圖；
[0035]圖2是傳統(tǒng)空氣電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極的制備方法的流程圖；
[0037]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖5是傳統(tǒng)空氣電極和本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極線性掃描伏安曲線；
[0039]圖6是傳統(tǒng)空氣電極和本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極功率密度曲線；
[0040]圖7是分別利用傳統(tǒng)空氣電極和本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極組建的鋅-空氣電池極化曲線；和
[0041 ] 圖8是分別利用傳統(tǒng)空氣電極和本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極組建的鋅-空氣電池充放電循環(huán)對(duì)比曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0043]本發(fā)明第一方面提出一種空氣電極的制備方法，如圖3所示，可以包括以下步驟:
[0044]A.制備多種比例不同的復(fù)合層前驅(qū)懸濁液，復(fù)合層前驅(qū)懸濁液含有疏水劑、親水齊U、導(dǎo)電劑和催化劑。
[0045]復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中的疏水劑可以為聚四氟乙烯乳液和Nafion乳液中的一種或二者的組合。其中，Nafion乳液是指全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物類物質(zhì)在水中形成的乳狀液。
[0046]復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中的親水劑可以為親水類分子篩、聚醇類物質(zhì)(例如聚乙烯醇)中的一種或多種的組合。其中親水類分子篩還具有耐氧化的優(yōu)點(diǎn)。
[0047]復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中的導(dǎo)電劑可以為石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯和摻氮的氧化石墨烯中的一種或至少一種的組
口 ο
[0048]復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中的催化劑可以為貴金屬催化劑(例如Pt、Au、Ir、Pd或者它們的合金等)、過渡金屬氧化物催化劑(猛基催化劑，如Mn3O4等；|丐鈦礦催化劑,如LaCoO3等)、碳基催化劑(例如摻氮的碳納米管、摻氮的石墨烯、摻氮的氧化石墨烯等等)、螯合物催化劑(例如含鐵、鈷、錳等原子、配體為酞菁、吡啶的螯合物等等)中的一種或至少一種的組合。
[0049]復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中的溶劑可以為無水乙醇、異丙醇、乙醇水溶液等等，溶劑用于將疏水劑、親水劑、導(dǎo)電劑和催化劑分散。優(yōu)選地，還可借助超聲方式使得復(fù)合層前驅(qū)懸濁液分散得更均勻。
[0050]B.提供集流體。
[0051]集流體可以為鎳金屬、鎳合金、鈦金屬或者鈦合金。這些金屬材料通常性質(zhì)不活潑，能夠抵抗電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的新生態(tài)氧的氧化，從而正常進(jìn)行電子的傳輸。
[0052]C.將多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液按照預(yù)定順序涂覆到集流體兩側(cè)表面，每次涂覆完一種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液后，進(jìn)行干燥和壓實(shí)以使復(fù)合層前驅(qū)懸濁液轉(zhuǎn)化為復(fù)合層。其中預(yù)定順序?yàn)檠刂扛灿诳諝鈧?cè)到涂覆于電解液側(cè)的方向，復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中的疏水劑的含量逐漸減少、親水劑的含量逐漸增加、導(dǎo)電劑的含量逐漸增加以及催化劑的含量逐漸增加。需要說明的是，集流體兩側(cè)的復(fù)合層的數(shù)目可以相等也可以不相等。
[0053]上述特殊的預(yù)定順序可以使得最終形成的多個(gè)復(fù)合層中組分連續(xù)變化，其中靠近空氣側(cè)的復(fù)合層的組分更接近擴(kuò)散層，并且靠近電解液側(cè)的復(fù)合層的組分更接近催化層。
[0054]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中疏水劑的含量從30-100W.t%逐漸減少到0-40w.t%。
[0055]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中親水劑的含量從0-20w.t%逐漸增加到0-35w.t%。
[0056]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中導(dǎo)電劑的含量從0-70w.t%逐漸增加到20-80w.t%。
[0057]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中催化劑的含量從0-70w.t%逐漸增加到30-80w.t%。
[0058]D.進(jìn)行高壓壓實(shí)和煅燒。
[0059]前面步驟C時(shí)已經(jīng)初步形成多層復(fù)合層，此時(shí)進(jìn)一步進(jìn)行高壓壓實(shí)和煅燒，使得形成的空氣電極有效的阻止水淹電極情況的發(fā)生，大大延長電極的循環(huán)充放電的壽命。
[0060]綜上所述,本發(fā)明實(shí)施例的空氣電極的制備方法打破傳統(tǒng)空氣電極中催化層和擴(kuò)散層清晰的分界面，通過連續(xù)改變親水劑、疏水劑、導(dǎo)電劑及催化劑的含量，制備含有多個(gè)復(fù)合層的高度結(jié)構(gòu)化的空氣電極。該空氣電極在氧化還原反應(yīng)過程中，空氣中的氧氣、堿性電解液中的氫氧根通過親水劑、疏水劑形成的毛細(xì)孔表面進(jìn)行遷移，在電極內(nèi)部顯著擴(kuò)大了氣、液、固三相反應(yīng)空間區(qū)域。因此，該空氣電極大大提高了氧氣、堿性電解液以及催化劑接觸位點(diǎn)及空間密度，降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力。該空氣電極應(yīng)用于金屬-空氣電池體系中能大幅度提高電池能量密度、功率密度以及容量性質(zhì)。本發(fā)明空氣電極的制備方法工藝簡單、易于進(jìn)行批量化生產(chǎn)，原料價(jià)格低廉，制備過程環(huán)保，制得的空氣電極經(jīng)濟(jì)實(shí)用，性能優(yōu)異，具備重要應(yīng)用前景。
[0061]本發(fā)明第二方面提出一種空氣電極，該空氣電極通過上文公開的任一種空氣電極的制備方法制得。
[0062]該實(shí)施例的空氣電極在氧化還原反應(yīng)過程中，空氣中的氧氣、堿性電解液中的氫氧根通過親水劑、疏水劑形成的毛細(xì)孔表面進(jìn)行遷移，在電極內(nèi)部顯著擴(kuò)大了氣、液、固三相反應(yīng)空間區(qū)域。因此，該空氣電極大大提高了空氣中氧氣、堿性電解液以及催化劑接觸位點(diǎn)及空間密度，降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力。該空氣電極應(yīng)用于金屬-空氣電池體系中能大幅度提高電池能量密度、功率密度以及容量性質(zhì)。
[0063]本發(fā)明第三方面還提出一種空氣電極，如圖4所示，包括:集流體401和形成在集流體401表面的多個(gè)復(fù)合層402。需要說明的是，集流體401兩側(cè)表面的復(fù)合層402的數(shù)目可以相等也可以不相等。如圖4所示，可以是集流體的空氣側(cè)和電解液側(cè)各有一層復(fù)合層，也可以是集流體的空氣側(cè)僅有一層復(fù)合層但電解液側(cè)設(shè)有多個(gè)復(fù)合層，也可以是集流體的電解液側(cè)僅有一層復(fù)合層但空氣側(cè)設(shè)有多個(gè)復(fù)合層，還可以是集流體的空氣側(cè)和電解液側(cè)分別有多層復(fù)合層。每個(gè)復(fù)合層中含有疏水劑、親水劑、導(dǎo)電劑和催化劑。在多個(gè)復(fù)合層中，沿著空氣側(cè)到電解液側(cè)的方向，疏水劑的含量逐漸減少、親水劑的含量逐漸增加、導(dǎo)電劑的含量逐漸增加以及催化劑的含量逐漸增加。
[0064]集流體401可以為鎳金屬、鎳合金、鈦金屬或者鈦合金。這些金屬材料通常性質(zhì)不活潑，能夠抵抗電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的新生態(tài)氧的氧化，從而正常進(jìn)行電子的傳輸。
[0065]復(fù)合層402中的疏水劑可以為聚四氟乙烯和Nafion—種或二者的組合。其中，Nafion是指全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物類物質(zhì)，是Nafion乳液干燥后的物質(zhì)。
[0066]復(fù)合層402中的親水劑可以為親水類分子篩、聚醇類物質(zhì)(例如聚乙烯醇)中的一種或多種的組合。其中親水類分子篩還具有耐氧化的優(yōu)點(diǎn)。
[0067]復(fù)合層402中的導(dǎo)電劑可以為石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯和摻氮的氧化石墨烯中的一種或至少一種的組合。
[0068]復(fù)合層402中的催化劑可以為貴金屬催化劑(例如Pt、Au、Ir、Pd或者它們的合金等等)、猛基/[隹化劑(例如MnO2等等)、過渡金屬氧化物/[隹化劑(猛基/[隹化劑，如Mn3O4等丐欽礦催化劑，如LaCoO3等)、碳基催化劑(例如摻氮的碳納米管、摻氮的石墨烯、摻氮的氧化石墨烯等等)、螯合物催化劑(例如含鐵、鈷、錳等原子、配體為酞菁、吡啶的螯合物等等)中的一種或至少一種的組合。
[0069]該實(shí)施例的空氣電極在氧化還原反應(yīng)過程中，空氣中的氧氣、堿性電解液中的氫氧根通過親水劑、疏水劑形成的毛細(xì)孔表面進(jìn)行遷移，在電極內(nèi)部顯著擴(kuò)大了氣、液、固三相反應(yīng)空間區(qū)域。因此，該空氣電極大大提高了空氣中氧氣、堿性電解液以及催化劑接觸位點(diǎn)密度，降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力。該空氣電極應(yīng)用于金屬-空氣電池體系中能大幅度提高電池能量密度、功率密度以及容量性質(zhì)。
[0070]本發(fā)明第四方面提出一種電池，本發(fā)明上文公開的任一種的空氣電極?？諝怆姌O在電池中用于進(jìn)行催化氧氣還原反應(yīng)，或者空氣電極在電池中用于進(jìn)行催化氧氣析出反應(yīng)，又或者空氣電極在電池中用于進(jìn)行催化氧氣還原反應(yīng)和氧氣析出反應(yīng)。
[0071]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電池，具有電池能量密度高、功率密度高以及容量大的性質(zhì)。
[0072]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該電池可以是可充電鋅-空氣電池。
[0073]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)敘述。
[0074]步驟(1)按照表1配置四種不同比例的復(fù)合層前驅(qū)懸濁液，均在30°C下超聲分散40mino
[0075]表1四種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液配比
[0076]
【權(quán)利要求】
1.一種空氣電極的制備方法，其特征在于包括以下步驟: A.制備多種比例不同的復(fù)合層前驅(qū)懸濁液，所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液含有疏水劑、親水劑、導(dǎo)電劑和催化劑； B.提供集流體； C.將多種所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液按照預(yù)定順序涂覆到所述集流體表面，每次涂覆完一種所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液后，進(jìn)行干燥和壓實(shí)以使所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液轉(zhuǎn)化為復(fù)合層，其中所述預(yù)定順序?yàn)檠刂扛灿诳諝鈧?cè)到涂覆于電解液側(cè)的方向，所述復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中的所述疏水劑的含量逐漸減少、所述親水劑的含量逐漸增加、所述導(dǎo)電劑的含量逐漸增加以及所述催化劑的含量逐漸增加； D.進(jìn)行高壓壓實(shí)和煅燒。
2.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，所述多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中所述疏水劑的含量從30-100?.t%逐漸減少到0-40w.t%。
3.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，所述多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中所述親水劑的含量從0-20w.t%逐漸增加到 0-35w.t%。
4.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，所述多種復(fù)合層前驅(qū)懸濁液中所述導(dǎo)電劑的含量從0-70w.t%逐漸增加到 20-80w.t%。
5.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，沿著涂覆于空氣側(cè)到涂覆于電解液側(cè)的順序，所述多種復(fù)`合層前驅(qū)懸濁液中所述催化劑的含量從0-70w.t%逐漸增加到 30-80w.t%。
6.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述疏水劑為聚四氟乙烯乳液和Nafion乳液中的一種或二者的組合。
7.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述親水劑為親水類分子篩、聚醇類物質(zhì)中的一種或多種的組合。
8.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電劑為石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯和摻氮的氧化石墨烯中的一種或至少一種的組合。
9.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述集流體為鎳金屬、鎳合金、鈦金屬或鈦合金。
10.如權(quán)利要求1所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述催化劑為貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑、碳基催化劑、螯合物催化劑中的一種或多種的組合。
11.一種空氣電極,其特征在于,通過權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的空氣電極的制備方法制得。
12.—種空氣電極,其特征在于,包括: 集流體； 形成在所述集流體兩側(cè)的多個(gè)復(fù)合層，每個(gè)所述復(fù)合層含有疏水劑、親水劑、導(dǎo)電劑和催化劑，其中，在所述多個(gè)復(fù)合層中，沿著空氣側(cè)到電解液側(cè)的方向，所述疏水劑的含量逐漸減少、所述親水劑的含量逐漸增加、所述導(dǎo)電劑的含量逐漸增加以及所述催化劑的含量逐漸增加。
13.如權(quán)利要求12所述的空氣電極，其特征在于，所述疏水劑為聚四氟乙烯和Nafion中的一種或二者的組合。
14.如權(quán)利要求12所述的空氣電極，其特征在于，所述親水劑為親水類分子篩、聚醇類物質(zhì)中的一種或多種的組合。
15.如權(quán)利要求12所述的空氣電極，其特征在于，所述導(dǎo)電劑為石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯和摻氮的氧化石墨烯中的一種或多種的組合。
16.如權(quán)利要求12所述的空氣電極，其特征在于，所述集流體為鎳金屬、鎳合金、鈦金屬或鈦合金。
17.如權(quán)利要求12所述的空氣電極，其特征在于，所述催化劑為貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑、碳基催化劑、螯合物催化劑中的一種或多種的組合。
18.—種電池,其特征在于,包括權(quán)利要求11-17中任一項(xiàng)所述的空氣電極,所述空氣電極用于進(jìn)行催化氧氣還原反應(yīng)和/或氧氣析`出反應(yīng)。
【文檔編號(hào)】H01M4/86GK103682376SQ201310713596
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】王保國, 馬洪運(yùn), 范永生 申請(qǐng)人:清華大學(xué)