CN100408727C - 空气电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的空气电极及其制造方法涉及一种用催化剂活化的惰性电极，它具有集流网/防水层/多层催化层结构，其中多层催化层为2～4层，贴近防水层的内层催化层厚度最小，从内层向外层各催化层的厚度逐渐增加，催化层的厚度越小，其中疏水物质组成的网络孔径也越小，厚度由内层向外层逐渐增加时，其中疏水物质组成的网络孔径逐渐增大；其制造方法是按集流网、防水层、及均由双辊轧机经纵横迭合后压制成形的厚度逐渐增加的2～4层催化层的顺序迭合好后，经压制、干燥和熔融烧结的工序，即制得成品空气电极。用本发明工艺制造的空气电极以80mA/cm2的电流放电，可以连续放电1500小时以上，使用寿命大幅度延长。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及一种用催化剂活化的惰性电极，具体地说是一种空气电极及其制造方法。
背景技术
空气电极是一种电化学反应器件，主要应用于空气电池和电化学制氧等场合，其作用是将空气中的氧气通过下列反应转变成OH-进入电解液：
O2+2H2O+4e→4OH-
该反应发生在空气电极中催化层的气固液三相界面处。决定空气电极性能的因素有气相传质速度、液相传质速度、催化性能、电导率诸因素，其中最主要的因素是各传质速度。
已有空气电极的结构中有防水层和催化层，其中防水层一般用聚四氟乙烯(PTFE)或聚乙烯(PE)与乙炔黑混合后碾轧制成，催化层一般用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银或其他催化剂混合后碾轧制成。CN1249361、CN 85100016、和CN 1475606分别公开了各自的空气电极中的防水层和/或催化层的配方。
关于空气电极的结构，CN 85100016、CN 1338125提出的结构为催化层/集流体/防水层的结构。CN 1450677、CN 1108007、CN 1253385、CN1249361披露的结构为催化层/防水层/集流体/防水层的结构。前一种结构的集流体放在催化层和防水层之间，可以有效地收集从催化层上产生的电流，避免因防水层的电阻造成的电阻极化损失。但是该结构也存在严重问题：由于其中含有亲水性的活性炭等物质，催化层在长期使用过程中会被电解液缓慢渗透，电解液推移到电极各层的界面处，造成电极各层间剥离和失效。后一种结构在集流体和催化层之间加入了一层由加入造孔剂而形成多孔性的防水膜，由于多孔性的防水膜孔隙较大，不能完全阻止电解液的渗漏，必须在集流体外层再加一层防水膜。CN2409615是在两层催化层之间加入集流网，也不能完全避免长期使用过程中的液相界面推移问题，从而使电极寿命缩短。实验证明，采用以上的各种技术，空气电极连续使用时间一般在200小时左右，距离连续使用1000小时以上的产品寿命要求还有较大差距。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种有集流网/防水层/多层催化层结构的空气电极及其制造方法，产品使用寿命长，以80mA/cm2的电流放电，可以连续放电1500小时以上。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：本发明的空气电极，由集流网、防水层和多层催化层构成，其中多层催化层为2～4层，具有集流网/防水层/多层催化层结构，贴近防水层的内层催化层厚度最小，从内层向外层各催化层的厚度逐渐增加，催化层的厚度越小，其中疏水物质组成的网络孔径也越小，厚度由内层向外层逐渐增加时，其中疏水物质组成的网络孔径逐渐增大。
上述“集流网/防水层/多层催化层”结构表示是集流网紧接防水层，防水层紧接多层催化层的结构。
本发明的空气电极中，集流网采用20～100目的镍丝金属网或不锈钢金属丝网；多层催化层中贴近防水层的内层催化层厚度为0.05～0.5毫米，最外层催化层厚度为0.08～1毫米，中间各催化层厚度为0.05～0.5毫米。
本发明的空气电极的制造方法是：按集流网、防水层、及均由双辊轧机经纵横迭合后压制成形的厚度逐渐增加的2～4层催化层的顺序迭合好后，经压制、干燥和熔融烧结的工序，即制得成品空气电极。
本发明的空气电极的制造方法是：按集流网、防水层、及均由双辊轧机经纵横迭合后压制成形的厚度逐渐增加的2～4层催化层的顺序迭合好后，在压力机上以100～500kg/cm2的压力压制成形空气电极，将压制成形的空气电极放置到真空度为5Pa～0.05MPa的真空干燥箱中，缓慢加热到100～200℃，保温0.5～2小时，干燥至除去电极中的游离水分、结晶水和其他挥发性有机溶剂，然后再将空气电极从真空干燥箱中取出放置到真空度均为5Pa～0.1MPa的真空电炉或惰性气体保护炉中，缓慢加热到330～420℃，保温0.5～2小时，使所有各层熔融烧结，即制得成品空气电极。
本发明的空气电极中，防水层和催化层采用公知材料制成，集流网、防水层的尺寸是一般电极通用的，催化层的平面面积与防水层相同。
本发明的有益效果是：实验发现，由于催化层是由双辊轧机经纵横迭合后压制成形的，催化层厚度越小，其中疏水物质组成的网络越致密，孔径也越小，其疏水性能越强。当催化层的厚度由内层向层外逐渐增加时，其中疏水物质组成的网络孔径逐渐增大，其疏水性逐渐减少。经由烧结后，整个催化层的截面上呈现各项性能的梯度分布。这种分布极大地改善了催化层的疏水特性和电化学反应能力，将电解液的渗透有效地稳定在催化层的某个厚度层面上，能够在电化学反应中长时间维持电极的电化学性能的稳定。
在已有文献中，所描述的空气电极的制造工艺都是将各层部件迭合后用冷压成形，然后成品直接使用。由于渗透作用，这些类空气电极的各层间仅靠静压力结合的界面很快会剥离。本发明空气电极的制造工艺是在冷压成形的空气电极干燥后再通过烧结过程，使各层的疏水物质之间通过熔融结合，将空气电极中的各层部件经合适的烧结温度烧结成为一个整体，这就有效地避免了各层间的剥离。
实际测定证明，用本发明工艺制造的空气电极以80mA/cm2的电流放电，可以连续放电1500小时以上，使用寿命大幅度延长。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是有2层催化层结构的本发明空气电极的结构示意图。
图2是有3层催化层结构的本发明空气电极的结构示意图。
图3是有4层催化层结构的本发明空气电极的结构示意图。
图中，1.集流网，2.防水层，3.第一层催化层，4.第二层催化层，5.第三层催化层，6.第四层催化层。
具体实施方式
在图1中，按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)和第二层催化层(4)的顺序迭合压制成形的有2层催化层结构的空气电极，其中：集流网(1)采用20～100目的镍丝金属网或不锈钢金属丝网；防水层(2)采用聚四氟乙烯或聚乙烯与乙炔黑混合后碾轧制成，厚度为0.3～1毫米；催化层采用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银或其他催化剂混合后由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.05～0.5毫米，外层第二层催化层(4)厚度为0.08～1毫米，并且第二层催化层(4)厚度＞第一层催化层(3)厚度。
在图2中，按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)、第二层催化层(4)和第三层催化层(5)的顺序迭合压制成形的有3层催化层结构的空气电极，其中：集流网(1)采用20～100目的镍丝金属网或不锈钢金属丝网；防水层(2)采用聚四氟乙烯或聚乙烯与乙炔黑混合后碾轧制成，厚度为0.3～1毫米；催化层采用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银或其他催化剂混合由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.05～0.5毫米，中间层第二层催化层(4)厚度为0.05～0.5毫米，最外层第三层催化层(5)厚度为0.08～1毫米，并且第三层催化层(5)厚度＞第二层催化层(4)厚度＞第一层催化层(3)厚度。
在图3中，按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)、第二层催化层(4)、第三层催化层(5)和第四层催化层(6)的顺序迭合压制成形有的4层催化层结构的空气电极，其中：集流网(1)采用20～100目的镍丝金属网或不锈钢金属丝网；防水层(2)采用聚四氟乙烯或聚乙烯与乙炔黑混合后碾轧制成，厚度为0.3～1毫米；催化层采用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银或其他催化剂混合由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.05～0.5毫米，中间层第二层催化层(4)和第三层催化层(5)厚度为0.05～0.5毫米，最外层第四层催化层(6)厚度为0.08～1毫米，并且第四层催化层(6)厚度＞第三层催化层(5)厚度＞第二层催化层(4)厚度＞第一层催化层(3)厚度。
实施例1
集流网(1)采用20目镍丝网。防水层(2)采用聚四氟乙烯与乙炔黑混合物，厚度为1毫米。催化层用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银催化剂混合后由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，其中贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.05毫米，外层第二层催化层(4)厚度为0.1毫米。先按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)和第二层催化层(4)的顺序迭合后在压力机上以100kg/cm2的压力压制成形空气电极，然后将压合成形的空气电极放置到真空度为5Pa的真空干燥箱中，缓慢加热到100℃，保温0.5小时后取出，再将该空气电极放置到真空度为5Pa的真空电炉中进行烧结，缓慢加热到330℃，保温0.5小时，即制得如图1所示的成品空气电极。
实施例2
集流网(1)采用60目镍丝网。防水层(2)采用聚乙烯与乙炔黑混合物，厚度为0.8毫米。催化层用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银催化剂混合后由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，其中贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.1毫米，外层第二层催化层(4)厚度为0.2毫米。先按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)和第二层催化层(4)的顺序迭合后在压力机上以150kg/cm2的压力压制成形空气电极，然后将压合成形的空气电极放置到真空度为1000Pa的真空干燥箱中，缓慢加热到120℃，保温1小时后取出，再将该空气电极放置到真空度为100Pa的真空电炉中进行烧结，缓慢加热到360℃，保温1小时，即制得如图1所示的成品空气电极。
实施例3
集流网(1)采用100目不锈钢丝网。防水层(2)采用聚乙烯与乙炔黑混合物，厚度为0.6毫米。催化层用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银催化剂混合后由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，其中贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.5毫米，外层第二层催化层(4)厚度为1毫米。先按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)和第二层催化层(4)的顺序在压力机上以200kg/cm2的压力迭合压制成形空气电极，然后将压合成形的空气电极放置到真空度为0.05M Pa的真空干燥箱中，缓慢加热到200℃，保温2小时后取出，再将该空气电极放置到真空度为0.1M Pa的真空电炉中进行烧结，缓慢加热到400℃，保温2小时，即制得如图1所示的成品空气电极。
实施例4
集流网(1)采用40目镍丝网。防水层(2)采用聚四氟乙烯与乙炔黑混合物，厚度为0.5毫米。催化层用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银催化剂混合后由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，其中贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.1毫米，中间层第二层催化层(4)厚度为0.2毫米，外层第三层催化层(5)厚度为0.5毫米。先按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)、第二层催化层(4)和第三层催化层(5)的顺序在压力机上以300kg/cm2的压力迭合压制成形空气电极，然后将压合成形的空气电极放置到真空度为0.01M Pa的真空干燥箱中，缓慢加热到150℃，保温1小时后取出，再将该空气电极放置到真空度为0.05M Pa的真空电炉中进行烧结，缓慢加热到380℃，保温1小时，即制得如图2所示的成品空气电极。
实施例5
集流网(1)采用80目镍丝网。防水层(2)采用聚乙烯与乙炔黑混合物，厚度为0.4毫米。催化层用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银催化剂混合后由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，其中贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.06毫米，中间层第二层催化层(4)厚度为0.15毫米，外层第三层催化层(5)厚度为0.5毫米。先按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)、第二层催化层(4)和第三层催化层(5)的顺序在压力机上以400kg/cm2的压力迭合压制成形空气电极，然后将压合成形的空气电极放置到真空度为0.01M Pa的真空干燥箱中，缓慢加热到150℃，保温1小时后取出，再将该空气电极放置到真空度为0.05M Pa的惰性气体保护炉中进行烧结，缓慢加热到400℃，保温1小时，即制得如图2所示的成品空气电极。
实施例6
集流网(1)采用100目不锈钢丝网。防水层(2)采用聚四氟乙烯与乙炔黑混合物，厚度为0.3毫米。催化层用聚四氟乙烯、活性炭与MnO2、金属银催化剂混合后由双辊轧机经纵横迭合后压制成形，其中贴近防水层的内层第一层催化层(3)厚度为0.2毫米，中间层第二层催化层(4)厚度为0.3毫米，中间层第三层催化层(5)厚度为0.5毫米，外层第四层催化层(6)厚度为1毫米。先按集流网(1)、防水层(2)、第一层催化层(3)、第二层催化层(4)、第三层催化层(5)和第四层催化层(6)的顺序在压力机上以500kg/cm2的压力迭合压制成形空气电极，然后将压合成形的空气电极放置到真空度为0.05M Pa的真空干燥箱中，缓慢加热到200℃，保温2小时后取出，再将该空气电极放置到真空度为0.1M Pa的真空电炉中进行烧结，缓慢加热到420℃，保温2小时，即制得如图3所示的成品空气电极。
实施例7
用公知方法进行电流放电测定试验，以80mA/cm2的电流放电，本发明的空气电极可以连续放电1500小时以上。
Claims (5)
1. 一种空气电极，其特征在于：由集流网、防水层和多层催化层构成，其中多层催化层为2～4层，具有集流网/防水层/多层催化层结构，贴近防水层的内层催化层厚度最小，从内层向外层各催化层的厚度逐渐增加，催化层的厚度越小，其中疏水物质组成的网络孔径也越小，厚度由内层向外层逐渐增加时，其中疏水物质组成的网络孔径逐渐增大。
2. 根据权利要求1所述的一种空气电极，其特征在于：集流网采用20～100目的镍丝金属网或不锈钢金属丝网。
3. 根据权利要求1所述的一种空气电极，其特征在于：多层催化层中贴近防水层的内层催化层厚度为0.05～0.5毫米，最外层催化层厚度为0.08～1毫米，中间各催化层厚度为0.05～0.5毫米。
4. 权利要求1所述的一种空气电极的制造方法，其特征在于：按集流网、防水层、及均由双辊轧机经纵横迭合后压制成形的厚度逐渐增加的2～4层催化层的顺序迭合好后，经压制、干燥和熔融烧结的工序，即制得成品空气电极。
5. 权利要求4所述的一种空气电极的制造方法，其特征在于：按集流网、防水层、及均由双辊轧机经纵横迭合后压制成形的厚度逐渐增加的2～4层催化层的顺序迭合好后，在压力机上以100～500kg/cm2的压力压制成形空气电极，将压制成形的空气电极放置到真空度为5Pa～0.05MPa的真空干燥箱中，缓慢加热到100～200℃，保温0.5～2小时，干燥至除去电极中的游离水分、结晶水和其他挥发性有机溶剂，然后再将空气电极从真空干燥箱中取出放置到真空度均为5Pa～0.1MPa的真空电炉或惰性气体保护炉中，缓慢加热到330～420℃，保温0.5～2小时，使所有各层熔融烧结，即制得成品空气电极。
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