CN100373672C - 用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺 - Google Patents

用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于电化学电池领域的一种用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺。在碳粉中加入KMnO4粉末，Mn(NC3)2·5H2O固体和去离子水进行混合，在搅拌状态下加热到70～75℃制成含锰催化的活化层浆料，然后加入表面活性剂、聚合物粘结剂和水或有机溶剂，调成膏状物；采用连续网格涂覆或层压法将膏状物把多孔金属泡沫基体注满；在350℃以下烧结，得到厚度约0.5mm的用于金属空气电池的锰催化空气阴极。本方法具有易于处理，低成本，高的工作电流密度，在金属泡沫与合成物材料间改良的粘结使之电极结构更有活力和因而延长的工作寿命等很多优点。

Description

用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺
技术领域
本发明属于电化学电池领域，特别涉及一种用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺。
技术背景
金属空气电池通过放置在合适电解液中的金属阳极和空气阴极组成的电化学对来产生电能。典型的空气阴极是一面朝向空气，另一面朝向电池中的液体电解液的薄膜，在电池工作时，空气中的氧气发生解离，而阳极的金属发生氧化反应，从而在阴阳极间的外电路上产生可通过的电流。空气阴极必须可渗透空气，同时充分疏水(保证液体电解液不发生渗露)，同时还要混合导电材料用于导通外部电路。
在美国专利US.5053375、US.4906535中报导，与当今商用金属空气电池中实践的一样，空气阴极一般由活性炭，充分分散的疏水聚合物材料，用作集流体的金属隔膜组成。通常活性炭与氧气还原催化剂混合以加速发生于空气阴极一侧的电化学过程。铁、锌、镁、铝和铝合金等大量金属用在阳极。美国专利US.4927514揭示了一种用铂黑加疏水粘结剂制备空气阴极的方法，这种疏水粘结剂通常是氟聚合物。采用铂黑作催化剂使得电池成本昂贵不经济。美国专利US.5032473揭示了一种采用高锰酸钾做催化剂，同8～20％(干重百分比)的碳粉和疏水卤代聚合物粘结形成催化性的碳粉颗粒。该专利还揭示了一种电极由比高锰酸钾昂贵的氧化银作催化剂组成的制备方法。美国专利US.5312701和US.5441823揭示了一种气体扩散空气阴极的制备过程，所用氧气还原催化剂包括Pt、Ag、CoTMPP。所有这些催化剂不是昂贵就是需要高温热处理过程(700℃)，因而使得制备出的空气阴极价格昂贵。
电化学电池需要空气阴极的放电电流密度高于100mA/cm2，同时还要求电极制造过程经济不昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺；所述金属空气电池的空气阴极包括交联孔网状结构的泡沫金属基体、活化层和放置在泡沫金属基体一侧的疏水微孔空气扩散层。其特征在于：所述活化层是由碳黑和锰催化剂组成；所述疏水微孔空气扩散层由烧结聚合物粘结剂形成的微孔结构，类似于含氟聚合物的塑料层；所述锰催化空气阴极是将活化层和疏水微孔空气扩散层的混合膏状物压注在交联孔网状结构的泡沫金属基体的三维孔中，经烧结而成。具体制作工艺为：
1).活化层浆料的制备：(1)375g的碳粉(Vulcan XC-72)被放入4L的烧杯中，(2)接着加入43.8gKMnO4粉末，(3)接着再加入111.9gMn(NO3)2·5H2O固体和再加入2500g去离子水，(4)加入25g Triton X-100，(5)将上述混合物在搅拌状态下加热到70～75℃，并保持30分钟，接着冷却到30℃，(6)加入360g的Telfon T-30(60％固含量)并搅拌均匀，所得粉末用X-射线衍射花样标定，结果表明无定形碳中含有氧化锰晶体；
2).加入表面活性剂、聚合物粘结剂和水或相对较低熔点的有机溶剂，调成膏状物；
3).采用连续网格涂覆或层压法将膏状物注满多孔金属泡沫基体；
4).在约200到350℃的范围内烧结约0.5～4小时，最终得到厚度在0.3～0.5mm范围内的锰催化空气阴极。
所述聚合物粘结剂为尼龙和尼龙T-30，聚乙烯醇(PVA)，聚乙撑氧(PEO)，聚乙烯吡咯(PVP)，磺酸，及其派生物的聚合物和共聚物中之一种。
所述碳黑是非纤维性的。
所述相对较低熔点的有机溶剂为异丙基醇和酒精的等量混合物。
所述表面活性剂为Triton X-100。
本发明的有益效果是锰催化空气阴极制备方法易处理，可充分保证各种成分材料在热处理前连续化的在基体上操作；低成本，高的工作电流密度，金属泡沫与合成物材料间改良的粘结使其成为更有活力的空气阴极结构，同时延长了工作寿命；催化剂在碱性电解液体系中的保持力得到改善，改良了电解液的渗透阻力和腐蚀性。
具体实施方式
本发明是一种用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺；所述金属空气电池的空气阴极包括交联孔网状结构的泡沫金属基体、活化层和放置在泡沫金属基体一侧的疏水微孔空气扩散层。其活化层是由非纤维性的碳黑和锰催化剂组成；其疏水微孔空气扩散层由烧结聚合物粘结剂形成的微孔结构，类似于含氟聚合物的塑料层。所述锰催化空气阴极是将活化层和疏水微孔空气扩散层的混合膏状物压注在交联孔网状结构的泡沫金属基体的三维孔中，经烧结而成。具体制作工艺为：
1).活化层浆料的制备：(1)375g的碳粉(Vulcan XC-72)被放入4L的烧杯中，(2)接着加入43.8gKMnO4粉末，(3)接着再加入111.9gMn(NO3)2·5H2O固体和再加入2500g去离子水，(4)加入25g表面活性剂Triton X-100，(5)将上述混合物在搅拌状态下加热到70～75℃，并保持30分钟，接着冷却到30℃，(6)加入360g的Telfon T-30(60％固含量)并搅拌均匀，所得粉末用X-射线衍射花样标定，结果表明无定形碳中含有氧化锰晶体；
2).加入表面活性剂、聚合物粘结剂和水或相对较低熔点的有机溶剂(异丙基醇和酒精的等量混合物)，调成膏状物；
3).采用连续网格涂覆或层压法将膏状物注满多孔金属泡沫基体；
4).在约200到350℃的范围内烧结约0.5～4小时，最终得到厚度在0.3～0.5mm范围内的锰催化空气阴极。
上述聚合物粘结剂为尼龙和尼龙T-30，聚乙烯醇(PVA)，聚乙撑氧(PEO)，聚乙烯吡咯(PVP)，磺酸，及其派生物的聚合物和共聚物中之一种。
为了比较，分别采用上述催化剂制备工艺和商用MnO2催化剂按照上述后续工艺作成电极。其性能用V-I曲线来说明，该技术制备的锰催化空气阴极在放电电压为1V时，放电电流密度约为100mA/cm2，而采用商用MnO2催化剂的相似阴极在同样放电电压时，电流密度仅为50mA/cm2。由此说明该项技术具有易于处理，低成本，高的工作电流密度，在金属泡沫与合成物材料间改良的粘结使之电极结构更有活力和因而延长的工作寿命等很多优点。

Claims (6)

1.一种用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺；所述金属空气电池的空气阴极包括交联孔网状结构的泡沫金属基体、活化层和放置在泡沫金属基体一侧的疏水微孔空气扩散层，其特征在于：具体制作工艺为：
1).活化层浆料的制备：(1)375g的碳粉Vulcan XC-72被放入4L的烧杯中，(2)接着加入43.8gKMnO4粉末，(3)接着再加入111.9gMn(NO3)2·5H2O固体和2500g去离子水，(4)加入25gTriton X-100，(5)将上述混合物在搅拌状态下加热到70～75℃，并保持30分钟，接着冷却到30℃，(6)加入360g固含量为60％的Telfon T-30，并搅拌均匀，所得粉末用X-射线衍射花样标定，结果表明无定形碳中含有氧化锰晶体；
2).加入表面活性剂、聚合物粘结剂和水或相对较低熔点的有机溶剂，调成膏状物；
3).采用连续网格涂覆或层压法将膏状物把多孔金属泡沫基体注满；
4).在200到350℃的范围内烧结0.5～4小时，最终得到厚度在0.3～0.5mm范围内的锰催化空气阴极。
2.根据权利要求1所述用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺；其特征在于：所述聚合物粘结剂为尼龙，聚乙烯醇，聚乙撑氧，聚乙烯吡咯中之一种。
3.根据权利要求1所述用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺；其特征在于：所述碳粉是非纤维性的。
4.根据权利要求1所述用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺；其特征在于：所述低熔点的有机溶剂为异丙基醇和酒精的等量混合物。
5.根据权利要求1所述用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺；其特征在于：所述表面活性剂为Triton X-100。
6.根据权利要求1所述用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺；其特征在于：所述疏水微孔空气扩散层为烧结聚合物粘结剂形成的微孔结构。
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