專利名稱：一種空氣電極及其制備方法
技術領域：
本發明屬于鋰空氣電池制備技術領域，具體涉及ー種空氣電極及其制備方法。
背景技術：
隨著現代社會的飛速發展，資源枯竭和環境污染問題日益嚴重。人們必須尋找ー種有效的途徑來緩解這一問題。化石能源的ー個主要用途在于給交通工具提供動カ，化石能源在交通工具上的消費不僅造成了巨大的能源損失，同時也造成了嚴重的環境污染，因此發展電動汽車被認為是ー種可行的緩解能源危機和環境污染的措施。然而目前常規的電源體系(如鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等)很難支持電動汽車的遠距離行駛，因此具有高的理論比能量的鋰空氣電池吸引了廣泛的關注。鋰空氣電池又可以叫做半燃料電池，是消耗Li的燃料電池，也是正極活性物質為氧氣的鋰電池。電池放電時，負極金屬鋰氧化成鋰離子通過電解液遷移到正極與氧氣還原產生的氧離子形成鋰的氧化物；電池充電時，鋰的氧化物分解產生氧氣和鋰離子，氧氣由空氣電極排出，鋰離子遷移回到金屬鋰片表面還原成鋰單質。鋰空氣電池具有高的理論比能量，其理論比能量達到11140Wh/kg，與汽油/氧體系的13000Wh/kg接近，目前實際能達到的放電比能量與汽油體系實際可利用的比能量相當(1700Wh/kg)。鋰空氣電池放電比能量的實際值與理論值相差巨大，其原因之一是因為放電產物(鋰的氧化物)在電解液中不溶解，將堆積在空氣電極中，堵塞空氣電極的氧氣傳輸通道，致使放電提前停止。鋰空氣電池的放電比能量與正極的孔隙率和孔容有夫。氧在正極的還原反應是在電解質、正極孔洞表面以及氧氣構成的三相界面上進行的，三相界面的總面積越大，能夠容納的放電產物就越多，能很大程度地提高鋰-空氣電池的放電容量和持續放電能力。
發明內容
本發明g在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供ー種有用的商業選擇。為此，本發明的ー個目的在于提出ー種能大幅提高鋰空氣電池性能的空氣電極結構及這種結構的空氣電極的制作方法。本發明提供ー種空氣電極的制備方法，其特征在于，包括將碳紙進行聚四氟こ烯處理，以形成氣體擴散層；將碳基體和催化劑混合均勻，加入黏合劑并超聲分散，以形成活性層漿料；將所述活性層漿料噴涂在所述氣體擴散層上，并進行干燥處理，以形成活性層。在本發明的空氣電極的制備方法的一個優選實施例中，所述聚四氟こ烯處理包括將所述碳紙浸于5被％聚四氟こ烯溶液中浸泡20分鐘；取出所述碳紙自然晾干，并在350°C下保溫I小時。在本發明的空氣電極的制備方法的一個優選實施例中，所述碳基體為Super PConductive Carbon Black 或 Ketjen Black,所述催化劑為 Pt、Pt-Au> MnO2 系列、Fe2O3 或Co3O4，所述黏合劑為15被％聚四氟こ烯溶液，所述碳基體、催化劑、黏結劑的質量比為75 15 10o在本發明的空氣電極的制備方法的一個優選實施例中，在將所述碳基體和催化劑混合均勻之后，并且在所述加入黏合劑并超聲分散之前，加入碳粉分散劑C34H62O11的溶液。在本發明的空氣電極的制備方法的一個優選實施例中，所述噴涂包括將所述氣體擴散層置于350°c的電熱板上；用噴槍將所述活性層漿料均勻地噴涂于所述氣體擴散層的上表面，其中所述噴槍采用O. 2MPa的壓縮空氣。在本發明的空氣電極的制備方法的一個優選實施例中，所述活性層的碳載量為
I.5_7mg/cm2，優選 3mg/cm2。在本發明的空氣電極的制備方法的一個優選實施例中，所述干燥處理為在60°C的 干燥箱中干燥12小吋。本發明還提供ー種空氣電極，該空氣電極是根據本發明的方法形成的。本發明以聚四氟こ烯(PTFE)處理過的碳紙作為氣體擴散層，能為氧氣的擴散提供良好的通道，而使活性層呈纖維狀附著在碳紙纖維上，既可避免空氣電極被液態電解液所淹沒，為氧氣的擴散提供良好的傳輸通道，也有助于形成發育的三相反應界面，使放電反應能更深入到空氣電極隔膜側，更多的催化層活性點能被用于放電產物(鋰的氧化物)的存儲，從而提高電池的放電容量。本發明的附加方面和優點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，或通過本發明的實踐了解到。
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖I為本發明的空氣電極的制備方法的流程圖；圖2為本發明的空氣電極的結構示意圖；圖3為本發明的聚四氟こ烯處理過的碳紙(a)和噴涂了催化層的碳紙(b)的SEM圖；圖4為本發明制作的空氣電極與現有技術制作的空氣電極的放電性能比較；圖5為本發明制作的空氣電極不同碳載量時的放電性能比較。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號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施例是示例性的，g在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括ー個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。 圖I為本發明的空氣電極的制備方法的流程圖。如圖I所示，該方法包括步驟S101.將碳紙進行聚四氟こ烯處理，以形成氣體擴散層。具體地，首先將碳紙浸于5被％聚四氟こ烯溶液中浸泡20分鐘；隨后取出碳紙自然晾干，并在350°C下保溫I小時。S102.將碳基體和催化劑混合均勻，加入黏合劑并超聲分散，以形成活性層漿料。具體地，碳基體為Super P Conductive Carbon Black 或 Ketjen Black ;催化劑為Pt、Pt-Au, MnO2系列、Fe2O3或Co3O4 ;黏合劑為15wt%聚四氟こ烯溶液；碳基體、催化劑、黏結劑的質量比為75 15 :10。通常先將固態的碳基體和催化劑混合均勻，再加入液態的黏合劑并超聲30min分散。優選地，在將碳基體和催化劑混合均勻之后，并且在加入黏合劑并超聲分散之前，加入適量碳粉分散劑C34H62O11的溶液。S103.將活性層漿料噴涂在氣體擴散層上，并進行干燥處理，以形成活性層。具體地，首先將步驟SlOl制得的氣體擴散層置于350°C的電熱板上；然后用噴槍將步驟S102制得的活性層漿料均勻地噴涂于氣體擴散層的上表面。在本發明的一個實施例中，噴槍采用O. 2MPa的壓縮空氣，噴涂時勻速噴涂。一般地，通過控制噴槍的噴涂量來控制活性層的碳載量，活性層的碳載量為I. 5-7mg/cm2，優選3mg/cm2。在本發明的一個實施例中，干燥處理為在60°C的干燥箱中干燥12小吋。圖2為本發明的空氣電極的結構示意圖。如圖2所示，本發明的空氣電極通過上文敘述的方法制得，具有氣體擴散層和活性層的雙層結構，其中氣體擴散層與空氣層接觸，活性層與電解液接觸。圖3為本發明的聚四氟こ烯處理過的碳紙(a)和噴涂了催化層的碳紙(b)的SEM圖。從圖3中可以看出，碳紙經過聚四氟こ烯處理之后會有聚四氟こ烯附著在碳紙纖維上。而采用噴涂方式得到的活性層也是呈纖維狀附著在碳紙纖維上。這樣的纖維結構能為氧氣的擴散提供良好的傳輸通道，也有助于形成發育的三相反應界面，從而提高電池的放電容量。圖4為本發明制作的空氣電極與現有技術制作的空氣電極的放電性能比較。由圖4可以看出，采用本發明制作的空氣電極與另外兩種現有技術得到的空氣電極相比(將活性層涂覆在泡沫鎳上和噴涂在隔膜上)，放電容量更大，且電壓平臺更高。圖5為本發明制作的空氣電極不同碳載量時的放電性能比較。從圖5可以看出，當活性層的碳載量為2. 08和3. 03mg/cm2時，均有較大的電池容量，其中，碳載量為3. 03mg/cm2時電壓平臺更高,故最最優選碳載量為3mg/cm2。本發明的空氣電極以聚四氟こ烯處理過的碳紙作為氣體擴散層，能為氧氣的擴散提供良好的通道，而使活性層呈纖維狀附著在碳紙纖維上，既可避免空氣電極被液態電解液所淹沒，為氧氣的擴散提供良好的傳輸通道，也有助于形成發育的三相反應界面，使放電反應能更深入到空氣電極隔膜側，更多的催化層活性點能被用于放電產物(鋰的氧化物)的存儲，從而提高電池的放電容量。在本說明書的描述中，參考術語“ー個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具 體示例”、或“ー些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少ー個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
權利要求
1.ー種空氣電極的制備方法，其特征在于，包括 將碳紙進行聚四氟こ烯處理，以形成氣體擴散層； 將碳基體和催化劑混合均勻，加入黏合劑并超聲分散，以形成活性層漿料； 將所述活性層漿料噴涂在所述氣體擴散層上，并進行干燥處理，以形成活性層。
2.如權利要求I所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述聚四氟こ烯處理包括 將所述碳紙浸于5被％聚四氟こ烯溶液中浸泡20分鐘； 取出所述碳紙自然晾干，并在350°C下保溫I小吋。
3.如權利要求2所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述碳基體為SuperPConductive Carbon Black 或 Ketjen Black,所述催化劑為 Pt、Pt_Au、MnO2 系列、Fe2O3 或Co3O4，所述黏合劑為15被％聚四氟こ烯溶液，所述碳基體、催化劑、黏結劑的質量比為75 15 10o
4.如權利要求3所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，在將所述碳基體和催化劑混合均勻之后，并且在所述加入黏合劑并超聲分散之前，加入適量碳粉分散劑C34H62O11的溶液。
5.如權利要求4所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述噴涂包括 將所述氣體擴散層置于350°C的電熱板上； 用噴槍將所述活性層漿料均勻地噴涂于所述氣體擴散層的上表面，其中所述噴槍采用0.2MPa的壓縮空氣。
6.如權利要求5所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述活性層的碳載量為1.5_7mg/cm2，優選 3mg/cm2。
7.如權利要求6所述的空氣電極的制備方法，其特征在于，所述干燥處理為在60°C的干燥箱中干燥12小吋。
8.—種空氣電極，其特征在于，所述空氣電極是根據權利要求1-7任一項所述的方法形成的。
全文摘要
本發明提供一種空氣電極及其制備方法，該方法包括將碳紙進行聚四氟乙烯處理，以形成氣體擴散層；將碳基體和催化劑混合均勻，加入黏合劑并超聲分散，以形成活性層漿料；將活性層漿料噴涂在氣體擴散層上，并進行干燥處理，以形成活性層。本發明以聚四氟乙烯處理過的碳紙作為氣體擴散層，能為氧氣的擴散提供良好的通道，而使活性層呈纖維狀附著在碳紙纖維上，既可避免空氣電極被液態電解液所淹沒，為氧氣的擴散提供良好的傳輸通道，也有助于形成發育的三相反應界面，使放電反應能更深入到空氣電極隔膜側，更多的催化層活性點能被用于放電產物的存儲，從而提高電池的放電容量。
文檔編號H01M4/88GK102867964SQ201210326618
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者王誠, 高勇, 蔡克迪, 蒲薇華 申請人:清華大學