CN102956897A - 一种空气电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气电极及其制备方法，该电极包括依次热压贴合的催化层、第一防水碳粉层、集流体层和第二防水碳粉层，所述防水碳粉层包含乙炔黑、高密度低压聚乙烯；所述催化层包含活性炭、乙炔黑和高密度低压聚乙烯。该电极的制备方法将防水碳粉层与催化层的制备工艺一体化，并且将传统的催化膜改制成催化粉。本发明的空气电极本防水碳粉层与催化层贴合的较牢固，在长期的放电循环过程中，空气电极上的防水碳粉层与催化层不易分离，从而也延长了电池的循环使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于电化学技术领域，尤其涉及一种空气电极及其制备方法。
背景技术
目前，锌空气电池产业化的进程中比较成熟的空气电极制造，是以热压性空气电极为主。其中空气电极包括防水层、催化层、集流体三部分。防水层一般是由导电碳黑和氯化乙烯或树脂合成；催化层一般由催化剂、分散液、和造孔剂合成之后，将辊碾机加热至75℃±10℃后，辊碾成膜；集流体是有金属网或泡沫状金属片制成。之后用热压机将防水层、集流体、防水层、膜状催化层按顺序重叠平铺热合成型。这种空气电极制作工艺简单，便于批量化而且成本低廉。但是在长期的放电循环过程中，平均循环使用＜200次，就会出现空气电极上的防水层与催化层会产生分离现象，导致空气电极有效放电面积减小影响整体电池放电能力和容量，同时也缩短了电池的循环使用寿命。
发明内容
本发明旨在克服以上现有技术存在的不足，提供一种防水层与催化层不易分离的空气电极，进而提高电极的循环使用寿命。
本发明的另一目的是提供一种空气电极的制备方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明的空气电极，包括依次热压贴合的催化层、第一防水碳粉层、集流体层和第二防水碳粉层，所述防水碳粉层包含乙炔黑和高密度低压聚乙烯；所述催化层包含活性碳、乙炔黑和高密度低压聚乙烯。进一步地，所述集流体层上至少设置一个引出极耳。能够将空气电极的电流有效的导出，并方便与外部相连。
进一步地，所述空气电极的各层总厚度为1.5～7mm。
本发明的空气电极的制备方法为：将粉状催化层、粉状第一防水碳粉层、集流体和粉状第二防水碳粉层顺序重叠平铺后，用热压机热压贴合。
本发明所述的空气电极的制备方法，具体包括如下步骤：
a、防水碳粉的制备
11)、将乙炔黑、高密度低压聚乙烯和煤油按重量比(6～8)∶1∶(10～20)的比例混合；
12)、将步骤11)中制得的混合物在温度90～145℃下再次混合；
13)步骤12)中制得的混合物中的部分煤油排出，使混合物中煤油含量按重量计降至15～50％；
14)步骤13)中排油后的混合物粉碎、过筛制得防水碳粉；
b、催化粉的制备
21)、将活性碳与乙炔黑按重量比(2～4)∶1进行混合后，粉碎得混合物I；
22)、将混合物I与催化剂按重量比1∶(0.9～1.2)得混合物II，将混合物II、高密度低压聚乙烯、煤油按重量比(7～9)∶1∶(14～16)的比例混合，得混合物III；
23)将混合物III中的部分煤油排出，使混合物中煤油含量降至15～50％得混合物IV；
24)将混合物IV粉碎、过筛制得催化粉；
c、热合空气电极：将粉状催化层、粉状第一防水碳粉层、集流体和粉状第二防水碳粉层顺序重叠平铺后，用热压机在压力35～55kg/mm2，温度为180～220℃下热压贴合；
d、萃取造孔：将步骤c中热压贴合后的空气电极中的煤油萃取出去并造孔、干燥制得所述空气电极。
进一步地，步骤c中热压贴合时防水碳粉的总重量与催化粉的重量比为10∶1。
进一步地，步骤11)中将乙炔黑、高密度低压聚乙烯和煤油按重量比7∶1∶15的比例混合。
进一步地，步骤22)中将混合物I与催化剂按重量比1∶1混合得混合物II，将混合物II、高密度低压聚乙烯、煤油按重量比8∶1∶15的比例混合，得混合物III。
进一步地，步骤21)中，活性碳与乙炔黑重量比为3∶1。
进一步地，步骤c中所述的热压贴合，被压物所受力为35～55kg/mm2，保压10分钟，热压温度为180～220℃。
进一步地，所述过筛均过30目筛。
本发明的有效效果如下：
本发明的空气电极由于防水碳粉层和催化层都含有高密度低压聚乙烯，组分高密度低压聚乙烯在空气电极里起到粘接作用，并且将催化粉与防水碳粉直接热压贴合，两层由于热压完全融为一体，连接牢固，不易分离，所以能够大大的提高空气电极的使用寿命，平均循环使用寿命在350次以上。
附图说明
图1为本发明空气电极的侧视结构示意图；
图2为本发明空气电极的主视结构示意图。
图中标记示意为：1：催化层；2：第一防水碳粉层；3：引出极耳；4：集流体层；5：第二防水碳粉层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施方式用于解释本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例的空气电极，包括依次热压贴合的催化层1、第一防水碳粉层2、集流体层4和第二防水碳粉层5，所述集流体层4上设置一个引出极耳3。
本实施例中的空气电极的制备方法如下：
a、防水碳粉的制备
11)将乙炔黑(焦作市和兴化学工业有限公司，型号：50％压缩量乙炔黑)与高密度低压聚乙烯(北京东方石油化工有限公司助剂二厂，型号：LD0020(30目))和煤油依次按重量比7∶1∶15的比例混合；
12)用加热器将步骤11)中所得混合物加热至100℃，并不停搅拌混合物，1小时后停止加热，继续搅拌20分钟，之后常温冷却至环境温度；
13)将降至环境温度的混合物放在油压机上排出煤油，使混合物中的煤油含量降至42％；
14)将上步骤加工完成的混合物用粉碎机粉碎之后过30目筛，得到粒度小于30目的粉末，防水碳粉制备完毕。
b、催化粉的制备
21)将型活性碳(邵武市保衡化工有限公司，型号：BH-V型椰壳活性炭)与乙炔黑按重量比3∶1的比例进行混合，放入球磨机中球磨24小时之后取出；
22)将上步骤的混合物与催化剂按重量比1∶1的比例进行混合，将混合物与高密度低压聚乙烯和煤油按重量比8∶1∶15的比例进行混合；
23)将上一个步骤制得的混合物中的部分煤油排出，使混合物中煤油含量降至42％(按重量计)；
24)将上步骤加工完成的混合物用粉碎机粉碎之后过30目筛，得到粒度小于30目的粉末，催化粉制备完毕。
c、热合空气电极：将防水碳粉、集流体(金属网或金泡沫状金属带)、防水碳粉、催化粉顺序重叠平铺，其中防水碳粉总重量与催化粉总重量比为10∶1，之后用热压机加压，被压物所受力为40kg/mm2，保压10分钟，其中热压机的上、下板温度为200℃，热压机泄压，取出被压物修边后，得到防水催化一体的空气电极。
d、萃取造孔：(1)将空气电极完全浸泡与丙酮中48小时，萃取出催化防水一体空气电极中的煤油；(2)浸泡48小时后，取出催化防水一体的空气电极，并放入电热鼓风干燥箱中(鼓风干燥箱内温度设定为70℃)鼓风干燥10小时后取出，得到制作完毕的催化防水一体空气电极。
经试验，本实施例制得的空气电极，循环使用寿命370次。
实施例2
本实施例的空气电极，包括依次热压贴合的催化层1、第一防水碳粉层2、集流体层4和第二防水碳粉层5，所述集流体层4上设置两个个引出极耳3。
本实施例中的空气电极的制备方法如下：
a、防水碳粉的制备
11)将乙炔黑(焦作市和兴化学工业有限公司，型号：50％压缩量乙炔黑)与高密度低压聚乙烯(北京东方石油化工有限公司助剂二厂，型号：LD0020(30目))和煤油依次按重量比6∶1∶20的比例混合；
12)用加热器将步骤11)中所得混合物加热至90℃，并不停搅拌混合物，1小时后停止加热，继续搅拌20分钟，之后常温冷却至环境温度；
13)将降至环境温度的混合物放在油压机上排出煤油，使混合物中的煤油含量降至15％；
14)将上步骤加工完成的混合物用粉碎机粉碎之后过50目筛，得到粒度50目以下的粉末，防水碳粉制备完毕。
b、催化粉的制备
21)将型活性碳(邵武市保衡化工有限公司，型号：BH-V型椰壳活性炭)与乙炔黑按重量比2∶1的比例进行混合，放入球磨机中球磨24小时之后取出；
22)将上步骤的混合物与催化剂按重量比1∶0.9的比例进行混合，将混合物与高密度低压聚乙烯和煤油按重量比7∶1∶16的比例进行混合；
23)将上一个步骤制得的混合物中的部分煤油排出，使混合物中煤油含量降至15％(按重量计)；
24)将上步骤加工完成的混合物用粉碎机粉碎之后过50目筛，得到粒度小于50目的粉末，催化粉制备完毕。
c、热合空气电极：将防水碳粉、集流体(金属网或金泡沫状金属带)、防水碳粉、催化粉顺序重叠平铺，其中防水碳粉总重量与催化粉总重量比为10∶1，之后用热压机加压，被压物所受力为35kg/mm2，保压10分钟，其中热压机的上、下板温度为180℃，热压机泄压，取出被压物修边后，得到防水催化一体的空气电极。
d、萃取造孔：(1)将空气电极完全浸泡与丙酮中48小时，萃取出催化防水一体空气电极中的煤油；(2)浸泡48小时后，取出催化防水一体的空气电极，并放入电热鼓风干燥箱中(鼓风干燥箱内温度设定为70℃)鼓风干燥10小时后取出，得到制作完毕的催化防水一体空气电极。
经试验，本实施例制得的空气电极，使用寿命能循环使用寿命350次。
实施例3
本实施例的空气电极，包括依次热压贴合的催化层1、第一防水碳粉层2、集流体层4和第二防水碳粉层5，所述集流体层4上设置两个个引出极耳3。
本实施例中的空气电极的制备方法如下：
a、防水碳粉的制备
11)将乙炔黑(焦作市和兴化学工业有限公司，型号：50％压缩量乙炔黑)与高密度低压聚乙烯(北京东方石油化工有限公司助剂二厂，型号：LD0020(30目))和煤油依次按重量比8∶1∶10的比例混合；
12)用加热器将步骤11)中所得混合物加热至145℃，并不停搅拌混合物，1小时后停止加热，继续搅拌20分钟，之后常温冷却至环境温度；
13)将降至环境温度的混合物放在油压机上排出煤油，使混合物中的煤油含量降至50％；
14)将上步骤加工完成的混合物用粉碎机粉碎之后过80目筛，得到粒度小于80目粉末，防水碳粉制备完毕。
b、催化粉的制备
21)将型活性碳(邵武市保衡化工有限公司，型号：BH-V型椰壳活性炭。)与乙炔黑按重量比4∶1的比例进行混合，放入球磨机中球磨24小时之后取出；
22)将上步骤的混合物与催化剂按重量比1∶1.2的比例进行混合，将混合物与高密度低压聚乙烯和煤油按重量比9∶1∶14的比例进行混合；
23)将上一个步骤制得的混合物中的部分煤油排出，使混合物中煤油含量降至50％(按重量计)；
24)将上步骤加工完成的混合物用粉碎机粉碎之后过80目筛，得到粒度小于80目粉末，催化粉制备完毕。
c、热合空气电极：将防水碳粉、集流体(金属网或金泡沫状金属带)、防水碳粉、催化粉顺序重叠平铺，其中防水碳粉总重量与催化粉总重量比为10∶1，之后用热压机加压，被压物所受力为55kg/mm2，保压10分钟，其中热压机的上、下板温度为220℃，热压机泄压，取出被压物修边后，得到防水催化一体的空气电极。
d、萃取造孔：(1)将空气电极完全浸泡与丙酮中48小时，萃取出催化防水一体空气电极中的煤油；(2)浸泡48小时后，取出催化防水一体的空气电极，并放入电热鼓风干燥箱中(鼓风干燥箱内温度设定为70℃)鼓风干燥10小时后取出，得到制作完毕的催化防水一体空气电极。
经试验，本实施例制得的空气电极，平均循环使用寿命360次。
具体实施中，本发明中所述的空气电极的总厚度应在1.5～7mm之间。
以上所述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的显而易见的变动，以及其它不脱离本发明实质的改动，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空气电极，包括依次热压贴合的催化层、第一防水碳粉层、集流体层和第二防水碳粉层，其特征在于：所述防水碳粉层包含乙炔黑和高密度低压聚乙烯；所述催化层包含活性碳、乙炔黑和高密度低压聚乙烯。
2.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于：所述集流体层上至少设置一个引出极耳。
3.根据权利要求2所述的空气电极，其特征在于：所述空气电极的各层总厚度为1.5～7mm。
4.权利要求1或2所述的空气电极的制备方法，其特征在于：将粉状催化层、粉状第一防水碳粉层、集流体和粉状第二防水碳粉层顺序重叠平铺后，用热压机热压贴合。
5.权利要求4所述的空气电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、防水碳粉的制备
11)、将乙炔黑、高密度低压聚乙烯和煤油按重量比(6～8)∶1∶(10～20)的比例混合；
12)、将步骤11)中制得的混合物在温度90～145℃下再次混合；
13)步骤12)中制得的混合物中的部分煤油排出，使混合物中煤油含量降至15～50％；
14)步骤13)中排油后的混合物粉碎、过筛制得防水碳粉；
b、催化粉的制备
21)、将活性碳与乙炔黑按重量比(2～4)∶1进行混合后，粉碎得混合物I；
22)、将混合物I与催化剂按重量比1∶(0.9～1.2)得混合物II，将混合物II、高密度低压聚乙烯、煤油按重量比(7～9)∶1∶(14～16)的比例混合，得混合物III；
23)将混合物III中的部分煤油排出，使混合物中煤油含量按重量计降至15～50％得混合物IV；
24)将混合物IV粉碎、过筛制得催化粉；
c、热合空气电极：将粉状催化层、粉状第一防水碳粉层、集流体和粉状第二防水碳粉层顺序重叠平铺后，用热压机在压力35～55kg/mm2，温度为180～220℃下热压贴合。
d、萃取造孔：将步骤c中热压贴合后的空气电极中的煤油萃取出去并造孔、干燥制得所述空气电极。
6.根据权利要求5所述的空气电极的制备方法，其特征在于：步骤c中热压贴合时防水碳粉的总重量与催化粉的重量比为10∶1。
7.根据权利要求4所述的空气电极的制备方法，其特征在于：步骤11)中将乙炔黑、高密度低压聚乙烯和煤油按重量比7∶1∶15的比例混合。
8.根据权利要求5所述的空气电极的制备方法，其特征在于：步骤22)中将混合物I与催化剂按重量比1∶1混合得混合物II，将混合物II、高密度低压聚乙烯、煤油按重量比8∶1∶15的比例混合，得混合物III。
9.根据权利要求5所述的空气电极的制备方法，其特征在于：步骤21)中，活性碳与乙炔黑重量比为3∶1。
10.根据权利要求5任一项所述的空气电极的制备方法，其特征在于：所述过筛均过30～80目筛。
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