CN102074709A

CN102074709A - 空气电极及制造方法和具有该空气电极的金属空气电池

Info

Publication number: CN102074709A
Application number: CN2010105935873A
Authority: CN
Inventors: 刘伟春
Original assignee: WUHAN HONGYUAN WEILI NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN HONGYUAN WEILI NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102074709B

Abstract

本发明公开一种空气电极，该空气电极包括防水层、集流体和催化层，该催化层包括导电剂和催化剂，该导电剂为碳材料，该催化剂包括电解二氧化锰、金属氧化物，该碳材料的质量比为77％～88％，该电解二氧化锰的质量比为8％～10％，该金属氧化物的质量比为6％-11％。本发明还公开该空气电极的制造方法和包含上述空气电极的金属空气电极。根据本发明的空气电极及其制造方法，可以实现空气电极批量化生产，并且能保证空气电极物理特性、电化学特性一致。提高了包含这种空气电极的金属空气电池的性能和工作寿命。

Description

空气电极及制造方法和具有该空气电极的金属空气电池

技术领域

本发明涉及电化学技术和电池制造技术领域，特别涉及一种空气电极及制造方法和具有该空气电极的金属空气电池。

背景技术

金属空气电池具有比能量高、容量大，负载输出时，工作电压平稳，电池能量密度高，原材料丰富，价格低廉等优势，有着其它化学能源电池不可替代的优势。其不仅在便携式通信器材、医疗器材、计算器等传统领域中应用广泛，而且也逐步有在移动电话、笔记本电脑中应用的趋势。

金属空气电池是由空气电极、金属负极、碱性电解液、隔膜构成。只有提高空气电极电性能和保证批量化生产的空气电极的一致性，才能保证金属空气电池达到性能稳定。为此空气电极应当具有以下的性能：第一、具有高孔隙率，孔分布均匀一致，透气性好；第二、具有良好的防渗漏能力；第三、导电性高；第四、空气电极的催化能力强。而制造出满足以上四个条件的高品质的空气电极，空气电极中催化层的材料配比和制造方法及生产工艺是核心技术问题。可以说，金属空气电池的发展主要来自空气电极催化剂的不断发展。

因此，需要提供一种空气电极及制造方法和具有该空气电极的金属空气电池以提供性能更为一致和优异的空气电池核心技术。

发明内容

为了解决该问题，本发明首先公开了一种空气电极，该空气电极包括防水层、集流体和催化层，该催化层包括导电剂和催化剂，该导电剂为碳材料，该催化剂包括电解二氧化锰、金属氧化物，该碳材料的质量比为77％～88％，该电解二氧化锰的质量比为8％～10％，该金属氧化物的质量比为6％-11％。

较佳地，该金属氧化物选自氧化镧、氧化锶、氧化镍、氧化锆、氧化铈或其混合物。较佳地，该碳材料包括活性炭和乙炔黑，该活性炭的质量比为67％～76％，该乙炔黑的质量比为10％～12％。

较佳地，该金属氧化物包括氧化镧和氧化锶，该氧化镧的质量比为5％～8％，该氧化锶的质量比为1％～3％。

较佳地，该防水层包括聚四氯乙烯薄膜或聚四氯乙烯与乙炔黑，该集流体为镍网或泡沫镍。

本发明还公开了一种制造上述空气电极的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，把该导电剂和该催化剂按照上述比例混合均匀并搅拌；

步骤2，将该催化材料按质量比加入40％的水，混合搅拌，然后加入质量比20％聚四氟乙烯并混合搅拌、凝聚，制成粘度为150～200ppf的该催化层混合料。

步骤3，把该集流体在该混合料中通过滚动挂浆并在涂覆机上进行涂覆然后通过滚碾，得到0.6mm～0.8mm厚度的膜，最后与该防水层合膜后在滚碾机上强力轧制，滚压成厚度大约为0.8mm左右的成型膜。

步骤4，将步骤3中得到的该成型膜加热烧结定型，制成该空气电极。

较佳地，该步骤4中的加热温度为240℃～280℃，加热时间为1小时。较佳地，该步骤2中在加入该聚四氟乙烯时，还加入质量比5％的分散剂。较佳地，该步骤3中的该滚动挂浆和该涂覆进行2-3次，该滚碾进行2次。本发明还公开了一种金属空气电池，该金属空气电池包括壳体、空气电极、隔膜、金属负极、碱性电解液和上盖，该空气电极为上述权利要求1-5的空气电极

根据本发明的空气电极及其制造方法，可以实现空气电极批量化生产，并且能保证空气电极物理特性、电化学特性一致。提高了包含这种空气电极的金属空气电池的性能和工作寿命。

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的的空气电极的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的金属空气电池的结构示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

以下结合附图对本发明的实施例做详细描述。

参考图1，为根据本发明一个实施例的空气电极的结构示意图。该空气电极包括防水层1、集流体2和催化层3。

催化层3包括导电剂和催化剂。导电剂通常选用碳材料。碳材料例如可以为活性炭、乙炔黑、碳黑等，或者是上述材料的混合物。催化剂(催化材料)包括电解二氧化锰、金属氧化物。金属氧化物例如可以为氧化镧、氧化锶、氧化镍、氧化锆、氧化铈或其他金属氧化物，或者是不同金属氧化物的混合物。上述组成中，碳材料的质量比77％～86％，电解二氧化锰的质量比为8％～10％，金属氧化物的质量比为6％-11％。

较佳地，上述碳材料包括活性炭和乙炔黑，其中活性炭占总混合物的质量比为67％～76％，乙炔黑占总混合物的质量比为10％～12％。

较佳的，上述金属氧化物为氧化镧和氧化锶，其中氧化镧占总混合物的质量比为5％～8％，氧化锶占总混合物的质量比为1％～3％。

该催化层3种还包括粘结剂，比如通常采用聚四氟乙烯溶液。

防水层1可以是由乙炔黑、石墨、高分子憎水材料混合或高分子憎水材料与无机、有机发孔材料混合得到。较佳地，由聚四氯乙烯薄膜或聚四氯乙烯与乙炔黑材料滚碾轧制成薄膜制成。较佳的，该薄膜的厚度为0.5mm。

集流体2通常选用多孔泡沫材料，例如泡沫铜或者泡沫镍。优选的，采用镍网或泡沫镍制成。较佳地，采用20目～40目的镍网或泡沫镍。

本发明还公开了一种制造金属空气电池的空气电极的方法，该方法包括以下步骤。

步骤1，把含有上述比例的导电剂和催化剂混合均匀并搅拌，例如搅拌时间30分钟。

步骤2，将上述催化材料按质量比加入40％的水，混合搅拌20分钟。加入聚四氟乙烯20％，可选择地，还可以加入分散剂5％(例如常用的TX-10分散剂)，并混合搅拌、凝聚。用真空抽滤机抽掉水后，制成粘度为150～200ppf的催化层混合料。

步骤3，把20目～40目的镍网或者泡沫镍的集流体在上述混合料中通过滚动挂浆并在涂覆机上进行涂覆。较佳地，滚动挂浆和涂覆进行2-3次。然后通过滚碾，得到0.6mm～0.8mm厚度的膜。最后与防水层合膜后在滚碾机上强力轧制，滚压成厚度大约为0.8mm左右的膜。较佳的，上述滚碾进行2次，

步骤4，将步骤中得到的成型膜在电阻炉中加热烧结定型，制成空气电极。较佳的，加热温度为240℃～280℃，加热时间为1小时。该空气电极可以按照要求剪裁成合适的尺寸。

比如，上述制成的空气电极可以裁剪成20×30mm的空气电极两块，粘贴在6mm宽塑料壳一侧(有效面积2cm²)，加入锌粉20g，氢氧化钾溶液20ml，然后通过其他熟知的技术制造成空气电池。为此本发明进一步公开了包含上述空气电极的金属空气电池，参考图2，该金属空气电池包括壳体4、空气电极5、隔膜6、金属负极7、碱性电解液8和上盖9构成。其中的空气电极4即为根据本发明一个实施例的空气电极。

下面是包括根据本发明实施例制成的空气电极的金属空气电池的测试结果：

开路电压为1.47V；

200mA恒流放电3分钟后电压为1.17V；

250mA恒流放电3分钟后电压为1.15V；

300mA恒流放电3分钟后电压为1.12V；

350mA恒流放电3分钟后电压为1.10V；

400mA恒流放电3分钟后电压为1.06V；

420mA恒流放电3分钟后电压为1.00V；

450mA恒流放电3分钟后电压为0.98V；

500mA恒流放电3分钟后电压为0.95V；

580mA恒流放电3分钟后电压为0.90V；

工作电压1V时，空气电极电流密度210mA/cm²；

工作电压0.9V时，空气电极电流密度290mA/cm²。

上述测试反应出包含本发明实施例的空气电极的金属空气电池具有较高的电化学催化能力，提高了电极功率输出，达到动力型电池的要求。其工作寿命大于2000小时。

根据本发明的空气电极及其制造方法，可以实现空气电极批量化生产，并且能保证空气电极电化学特性一致。提高了包含这种空气电极的金属空气电池的性能和工作寿命。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种空气电极，所述空气电极包括防水层、集流体和催化层，所述催化层包括导电剂和催化剂，其特征在于，所述导电剂为碳材料，所述催化剂包括电解二氧化锰、金属氧化物，所述碳材料的质量比为77％～86％，所述电解二氧化锰的质量比为8％～10％，所述金属氧化物的质量比为6％-11％。

2.按照权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述金属氧化物选自氧化镧、氧化锶、氧化镍、氧化锆、氧化铈或其混合物。

3.按照权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述碳材料包括活性炭和乙炔黑，所述活性炭的质量比为67％～76％，所述乙炔黑的质量比为10％～12％。

4.按照权利要求3所述的空气电极，其特征在于，所述金属氧化物包括氧化镧和氧化锶，所述氧化镧的质量比为5％～8％，所述氧化锶的质量比为1％～3％。

5.按照权利要求4所述的空气电极，其特征在于，所述防水层包括聚四氯乙烯薄膜或聚四氯乙烯与乙炔黑，所述集流体为镍网或泡沫镍。

6.一种制造如权利要求1-5所述的空气电极的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，把所述导电剂和所述催化剂按照上述比例混合均匀并搅拌；

步骤2，将所述催化材料按质量比加入40％的水，混合搅拌，然后加入质量比20％聚四氟乙烯并混合搅拌、凝聚，制成粘度为150～200ppf的所述催化层混合料。

步骤3，把所述集流体在所述混合料中通过滚动挂浆并在涂覆机上进行涂覆然后通过滚碾，得到0.6mm～0.8mm厚度的膜，最后与所述防水层合膜后在滚碾机上强力轧制，滚压成厚度大约为0.8mm左右的成型膜。

步骤4，将步骤3中得到的所述成型膜加热烧结定型，制成所述空气电极。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤4中的加热温度为240℃～280℃，加热时间为1小时。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2中在加入所述聚四氟乙烯时，还加入质量比5％的分散剂。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的所述滚动挂浆和所述涂覆进行2-3次，所述滚碾进行2次。

10.一种金属空气电池，所述金属空气电池包括壳体、空气电极、隔膜、金属负极、碱性电解液和上盖，其特征在于，所述空气电极为上述权利要求1-5所述的空气电极。