一種金屬空氣電池用雙疏水層空氣陰極的制作方法
【技術領域】
[0001]本發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】
[0002]金屬空氣電池是一種以鎂、鋁、鋅金屬作為陽極活性物質，空氣中氧氣作為陰極活性物質，堿性或中性鹽水為電解質溶液的電化學反應裝置。金屬空氣電池是很有應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生氧還原反應，空氣陰極是影響其性能優異的核心部件之一。當金屬空氣電池采用鋅為陽極燃料時，多采用高濃度堿性KOH溶液作為電解質溶液，電解液易于從空氣電極表面外滲，另外，大電流放電條件下，電池產生大量的熱，力口速電池內水分的揮發，易造成電解液的干涸；另一方面，當電池在濕度較大條件下使用時，空氣中的水分會進入電池內部稀釋電解液，影響電池放電穩定性。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，采用該電極結構的空氣電極降低了水的蒸發流失，提高了電極的穩定性，但采用多層聚四氟乙烯涂層，制備工藝復雜，同時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的空氣電極，可以防止電解液的揮發和空氣中的水分進入電池內部，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。
【發明內容】
[0004]為解決以上問題，本發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實現:
[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量含量為40%-80% ;所述第二疏水透氣層中疏水劑的質量含量為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、泡沫鎳網、不銹鋼網、拉伸銅網、拉伸鎳網、編織銅網、編織鎳網中的一種。
[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、集流體和催化層經輥壓或油壓熱處理制備而成。
[0016]與現有技術相比，本發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構不同(具體表現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空氣的傳質；(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及空氣中水的進入，提高了電池的穩定性。
【附圖說明】
[0017]圖1為采用本發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構不意圖；
[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。
【具體實施方式】
[0020]實施例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，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 質量分數為 37.5%。
[0024]空氣電極由第一疏水透氣層、第二疏水透氣層、集流體和催化層經輥壓工藝制備??? 。
[0025]鋅陽極為由鋅粉壓制而成；厚度0.5mm ；
[0026]上述空氣電池組裝成鋅/空氣電池進行測試，其中電極面積為380cm2 ;測試條件為:室溫，50mA/cm2恒電流測試；測試結果如圖1所示，一次插拔鋅膏電極可放達7h。
[0027]實施例2
[0028]本實施例中空氣陰極結構與上述結構相同，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]實施例3
[0030]本實施例中空氣陰極結構與上述結構相同，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]實施例4
[0032]本實施例中空氣陰極結構與上述結構相同，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]實施例5
[0034]本實施例中空氣陰極結構與上述結構相同，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]上述實施例2-5所述空氣陰極與實施例1中相同的金屬陽極及相同放電條件下測試，測試結果表明，其均可在50mA/cm2下穩定放電。
【主權項】
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量含量為40%-80% ;所述第二疏水透氣層中疏水劑的質量含量為35%-75%。
5.按照權利要求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、泡沫鎳網、不銹鋼網、拉伸銅網、拉伸鎳網、編織銅網、編織鎳網中的一種。
7.按照權利要求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。與現有技術相比，本發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構不同，一方面有利于金屬空氣電池中空氣電極側空氣的傳質，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及空氣中水的進入，提高了電池的穩定性。
【IPC分類】H01M4-86
【公開號】CN104716334
【申請號】CN201310692638
【發明人】孫公權, 齊鷺汀, 王素力, 王二東
【申請人】中國科學院大連化學物理研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年12月15日