一種金屬空氣電池用雙疏水層空氣陰極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬空氣電池用陰極，具體地說是一種用于鎂、鋁、鋅等金屬空氣電池用陰極。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬空氣電池是一種以鎂、鋁、鋅金屬作為陽(yáng)極活性物質(zhì)，空氣中氧氣作為陰極活性物質(zhì)，堿性或中性鹽水為電解質(zhì)溶液的電化學(xué)反應(yīng)裝置。金屬空氣電池是很有應(yīng)用前景的綠色潔凈能源之一。
[0003]金屬空氣電池在空氣電極上發(fā)生氧還原反應(yīng)，空氣陰極是影響其性能優(yōu)異的核心部件之一。當(dāng)金屬空氣電池采用鋅為陽(yáng)極燃料時(shí)，多采用高濃度堿性KOH溶液作為電解質(zhì)溶液，電解液易于從空氣電極表面外滲，另外，大電流放電條件下，電池產(chǎn)生大量的熱，力口速電池內(nèi)水分的揮發(fā)，易造成電解液的干涸；另一方面，當(dāng)電池在濕度較大條件下使用時(shí)，空氣中的水分會(huì)進(jìn)入電池內(nèi)部稀釋電解液，影響電池放電穩(wěn)定性。為解決以上問題，專利CN101702435A提出了多層疏水透氣層組成的陰極，采用該電極結(jié)構(gòu)的空氣電極降低了水的蒸發(fā)流失，提高了電極的穩(wěn)定性，但采用多層聚四氟乙烯涂層，制備工藝復(fù)雜，同時(shí)處理過程中聚四氟乙烯涂層若不滿足一定的均勻性，將直接影響電極的憎水性，在一定程度上影響電極穩(wěn)定性。專利CN202067864U中提出了一種防水層輥壓在氣體疏水透氣層一側(cè)的空氣電極，可以防止電解液的揮發(fā)和空氣中的水分進(jìn)入電池內(nèi)部，但在一定程度上增加了電極電阻，使空氣電極的放電性能低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決以上問題，本發(fā)明提出了一種雙層疏水透氣層空氣電極，采用以下具體方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0005]一種金屬/空氣電池用空氣陰極，主要包括依次層狀疊合的第一疏水透氣層、第二疏水透氣層、集流體和催化層；所述第一疏水透氣層孔隙率大于第二疏水透氣層孔隙率。
[0006]所述第一疏水透氣層的孔隙率為30%_80%，第二疏水透氣層的孔隙率為25%_75%。
[0007]所述第一疏水透氣層和第二疏水透氣層厚度比為1:1-4:1 ;所述第一疏水透氣層和催化氣層厚度比為1:1-8:1。
[0008]所述第一疏水透氣層和第二疏水透氣層包括疏水劑和碳材料；所述第一疏水透氣層中疏水劑的質(zhì)量含量為40%-80% ;所述第二疏水透氣層中疏水劑的質(zhì)量含量為35%-75%。
[0009]所述疏水劑為聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、過氟烷基化物、聚乙烯中的一種或兩種以上；
[0010]所述碳材料為乙炔黑、BP2000、XC-72、EC-600JD中的一種或兩種以上。
[0011 ] 所述集流體為泡沫銅網(wǎng)、泡沫鎳網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)、拉伸銅網(wǎng)、拉伸鎳網(wǎng)、編織銅網(wǎng)、編織鎳網(wǎng)中的一種。
[0012]所述催化層包括氧還原電催化劑、碳材料和疏水劑；所述催化劑為碳載銀錳催化齊U、碳載銀催化劑、碳載錳催化劑、碳載鈷催化劑，尖晶石型催化劑中的一種或兩種以上；
[0013]所述憎水劑為聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、過氟烷基化物、聚乙烯中的一種或兩種以上；
[0014]所述碳材料為乙炔黑、BP2000、XC-72、EC-600JD中的一種或兩種以上。
[0015]所述空氣電極由第一疏水透氣層、第二疏水透氣層、集流體和催化層經(jīng)輥壓或油壓熱處理制備而成。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述空氣電極中第一疏水透氣層與第二疏水透氣層中的孔隙結(jié)構(gòu)不同(具體表現(xiàn)為孔隙率和疏水劑的含量不同)，(I)有利于金屬空氣電池中空氣電極側(cè)空氣的傳質(zhì)；(2)有利于阻止電極的剝離；(3)有效防止電解液在電極表面外滲，有利于降低電解液中水的揮發(fā)及空氣中水的進(jìn)入，提高了電池的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0017]圖1為采用本發(fā)明所述陰極制備的金屬空氣電池恒流放電曲線；
[0018]圖2為一種金屬空氣電極用空氣電極結(jié)構(gòu)不意圖；
[0019]圖中，1-疏水透氣層1、2_疏水透氣層2、3_集流體、4-催化層。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
[0021]空氣陰極包括依次層狀疊合的第一疏水透氣層、第二疏水透氣層、集流體和催化層，第一疏水透氣層的孔隙率為70.5%,第二疏水透氣層的孔隙率為64.5%。第一疏水透氣層由乙炔黑與PTFE混合經(jīng)輥壓工藝制備而成，PTFE含量為70%，第一疏水透氣層厚度為0.30mm;第二疏水透氣層由乙炔黑與PTFE混合經(jīng)輥壓工藝制備而成，PTFE含量為60%，第二疏水透氣層厚度為0.25mm ;第一疏水透氣層厚度為0.5mm;
[0022]集流層為表面涂覆有催化劑膏體的拉伸鎳網(wǎng)，催化劑膏體的組成及含量:碳載銀錳催化劑的含量10%，疏水劑PTFE的含量為20%，碳材料為BP2000。
[0023]催化層中氧還原電催化劑為碳載銀錳催化劑，載量為4mg/cm2;催化層厚度為0.60mm。催化層中碳載體有乙炔黑與BP2000混合而成，催化劑與碳載體混合物所占比例為67.5%, PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 37.5%。
[0024]空氣電極由第一疏水透氣層、第二疏水透氣層、集流體和催化層經(jīng)輥壓工藝制備??? 。
[0025]鋅陽(yáng)極為由鋅粉壓制而成；厚度0.5mm ；
[0026]上述空氣電池組裝成鋅/空氣電池進(jìn)行測(cè)試，其中電極面積為380cm2 ;測(cè)試條件為:室溫，50mA/cm2恒電流測(cè)試；測(cè)試結(jié)果如圖1所示，一次插拔鋅膏電極可放達(dá)7h。
[0027]實(shí)施例2
[0028]本實(shí)施例中空氣陰極結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)相同，其中，第一疏水透氣層的孔隙率為65%，第二疏水透氣層的孔隙率為55.5%。
[0029]實(shí)施例3
[0030]本實(shí)施例中空氣陰極結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)相同，其中，第一疏水透氣層的孔隙率為40.6%，第二疏水透氣層的孔隙率為34.3%。
[0031]實(shí)施例4
[0032]本實(shí)施例中空氣陰極結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)相同，其中，第一疏水透氣層的孔隙率為80%，第二疏水透氣層的孔隙率為75%。
[0033]實(shí)施例5
[0034]本實(shí)施例中空氣陰極結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)相同，其中，第一疏水透氣層的孔隙率為30%，第二疏水透氣層的孔隙率為25%。
[0035]上述實(shí)施例2-5所述空氣陰極與實(shí)施例1中相同的金屬陽(yáng)極及相同放電條件下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，其均可在50mA/cm2下穩(wěn)定放電。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種金屬/空氣電池用雙疏水層空氣陰極，其特征在于:主要包括依次層狀疊合的第一疏水透氣層、第二疏水透氣層、集流體和催化層；所述第一疏水透氣層孔隙率大于第二疏水透氣層孔隙率。
2.按照權(quán)利要求1所述雙疏水層空氣陰極，其特征在于: 所述第一疏水透氣層的孔隙率為35%-80%，第二疏水透氣層的孔隙率為25%-75%。
3.按照權(quán)利要求1所述雙疏水層空氣陰極，其特征在于: 所述第一疏水透氣層和第二疏水透氣層厚度比為1:1-4:1 ;所述第一疏水透氣層和催化氣層厚度比為1:1-8:1。
4.按照權(quán)利要求1-3所述任一雙疏水層空氣陰極，其特征在于: 所述第一疏水透氣層和第二疏水透氣層包括疏水劑和碳材料；所述第一疏水透氣層中疏水劑的質(zhì)量含量為40%-80% ;所述第二疏水透氣層中疏水劑的質(zhì)量含量為35%-75%。
5.按照權(quán)利要求4所述雙疏水層空氣陰極，其特征在于: 所述疏水劑為聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、過氟烷基化物、聚乙烯中的一種或兩種以上； 所述碳材料為乙炔黑、BP2000、XC-72、EC-600JD中的一種或兩種以上。
6.按照權(quán)利要求1所述雙疏水層空氣陰極，其特征在于: 所述集流體為泡沫銅網(wǎng)、泡沫鎳網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)、拉伸銅網(wǎng)、拉伸鎳網(wǎng)、編織銅網(wǎng)、編織鎳網(wǎng)中的一種。
7.按照權(quán)利要求1所述雙疏水層空氣陰極，其特征在于: 所述催化層包括氧還原電催化劑、碳材料和疏水劑；所述催化劑為碳載銀錳催化劑、碳載銀催化劑、碳載錳催化劑、碳載鈷催化劑，尖晶石型催化劑中的一種或兩種以上； 所述疏水劑為聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、過氟烷基化物、聚乙烯中的一種或兩種以上； 所述碳材料為乙炔黑、BP2000、XC-72、EC-600JD中的一種或兩種以上。
8.按照權(quán)利要求1所述雙疏水層空氣陰極，其特征在于: 所述空氣電極由第一疏水透氣層、第二疏水透氣層、集流體和催化層經(jīng)輥壓或油壓熱處理制備而成。
【專利摘要】一種金屬/空氣電池用空氣陰極，主要包括依次層狀疊合的第一疏水透氣層、第二疏水透氣層、集流體和催化層；所述第一疏水透氣層孔隙率大于第二疏水透氣層孔隙率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述空氣電極中第一疏水透氣層與第二疏水透氣層中的孔隙結(jié)構(gòu)不同，一方面有利于金屬空氣電池中空氣電極側(cè)空氣的傳質(zhì)，另一方面可以有效防止電解液外滲，并有利于降低電解液中水的揮發(fā)及空氣中水的進(jìn)入，提高了電池的穩(wěn)定性。
【IPC分類】H01M4-86
【公開號(hào)】CN104716334
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310692638
【發(fā)明人】孫公權(quán), 齊鷺汀, 王素力, 王二東
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2013年12月15日