CN103151530A - 一种金属空气电池用阴极及制备方法 - Google Patents

一种金属空气电池用阴极及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103151530A
CN103151530A CN2012105635204A CN201210563520A CN103151530A CN 103151530 A CN103151530 A CN 103151530A CN 2012105635204 A CN2012105635204 A CN 2012105635204A CN 201210563520 A CN201210563520 A CN 201210563520A CN 103151530 A CN103151530 A CN 103151530A
Authority
CN
China
Prior art keywords
negative electrode
diffusion layer
layer
ptfe
catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2012105635204A
Other languages
English (en)
Inventor
孙公权
王二东
舒朝著
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN2012105635204A priority Critical patent/CN103151530A/zh
Publication of CN103151530A publication Critical patent/CN103151530A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

一种金属空气电池用阴极，包括依次叠合的催化层、疏水扩散层和集流层；催化层以碳载锰氧化物为催化剂，PTFE为憎水剂；疏水扩散层为经PTFE乳液憎水化处理后的石墨化碳纤维毡；集流层为泡沫镍。所述阴极的制备方法包括：（1）疏水扩散层的制备；（2）催化层的制备；（3）泡沫镍和基于疏水扩散层压合而成的阴极的制备。与现有技术相比，本发明所述金属/空气电池用阴极具有空气电极的比表面积高、电解液渗漏小、电极性能优等优点，所述阴极的制备方法具有工艺简单，易于大规模批量生产的优点。

Description

一种金属空气电池用阴极及制备方法
技术领域
本发明涉及金属/空气电池空气电极结构，具体地说是一种用于镁、铝、锌等金属/空气电池用空气电极结构及制备工艺。
背景技术
金属/空气电池是一种金属（如镁、铝、锌等）作为阳极燃料，空气中氧气作为氧化剂，碱液或中性盐水为电解质溶液的电化学反应装置。我国镁、铝、锌等金属储量丰富、且价格低廉，因此金属/空气电池在电动汽车、通信电源、野外应急电源、照明电源及储备电源等可移动电源的诸多领域具有广阔的应用前景。空气电极是影响金属/空气电池性能的重要部件之一。空气电极结构和制备工艺也是金属/空气电池的核心技术，对金属/空气电池的工程开发和实际应用具有十分重要的意义。
金属/空气电池在空气电极上发生氧还原反应，三相反应界面是发生上述反应的场所，三相反应界面面积对空气电极的性能具有较大的影响。传统的金属空气电池阴极制备方法是通过机械方法压制多层复合结构(一般为，载有催化剂的碳纸-镍网-载有催化剂的碳纸-聚四氟乙烯微孔膜加压复合而成)，使用这种方法制备的电极结构难于优化，催化剂利用效率低、极化较大，从而导致性能较差。为提高金属/空气电池空气电极的性能，增加三相反应界面面积是重要途径之一。
发明内容
本发明在现有金属/空气电池空气电极的基础上，提供了一种立体式金属/空气电池用空气电极结构和制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：
一种金属空气电池用阴极，包括依次叠合的催化层、疏水扩散层和集流层；
催化层以碳载锰氧化物为催化剂，PTFE为憎水剂；疏水扩散层为经PTFE乳液憎水化处理后的石墨化碳纤维毡；集流层为泡沫镍。
所述碳载锰氧化物为MnO/C、Mn3O4/C、Mn2O3/C、MnO2/C中的一种或一种以上的混合物，催化剂中锰氧化物占催化剂总质量的10-70％，催化层中催化剂担载量为1-10mgcm-2，PTFE含量为10-40％；
所述石墨化碳纤维毡的厚度为2-10mm；PTFE占疏水扩散层总质量的40-85％。
所述阴极的制备方法，包括以下步骤：
（1）疏水扩散层的制备：
a．以水为溶剂配置浓度为10-70％的PTFE乳液；
b．选用厚度为2-10mm的石墨化碳纤维毡，并对其称重；
c．将上述步骤（1）b所述碳纤维毡浸渍于上述步骤（1）a配置好的PTFE乳液中，取出后在30°C-200°C下烘干，称重并计算PTFE含量；
d．得疏水扩散层；或，重复上述步骤（1）c至PTFE含量达40-85％，即得疏水扩散层；
（2）催化层的制备：
a．于乙醇中加入碳载锰氧化物催化剂，搅拌使之混合均匀后，逐滴加入浓度20-60％的PTFE水乳液，搅拌使之混合均匀以形成催化剂浆液；
b．采用刷涂或刮涂或喷涂或滚压的方法将上述步骤（2）a所得催化剂浆液涂布于步骤（1）所得疏水扩散层上，至催化剂载量为1-10mgcm-2后，于340°C-360°C条件下高温烧结10-300min，得基于疏水扩散层的催化层；
（3）阴极的制备：
a．剪裁与碳纤维毡相同形状和尺寸的泡沫镍，并将其置于步骤（2）所得催化层的疏水扩散层表面；
b．于5-20MPa的压强下，将泡沫镍和基于疏水扩散层的催化层于80°C-200°C压合1-10min，取出后得金属空气电池用阴极。
步骤（2）a中所述碳载锰氧化物为MnO/C、Mn3O4/C、Mn2O3/C、MnO2/C中的一种或一种以上的混合物；
步骤（2）a中每100毫升乙醇加入碳载锰氧化物的质量为20-50毫克。
步骤（2）a所述催化剂浆液中，PTFE与碳载锰氧化物催化剂的质量比为1:9-2:3。
与现有技术相比，本发明所述立体式金属/空气电池用阴极具有以下优点：
1.本发明通过制备工艺的改进，有效提高金属/空气电池空气电极的比表面积；
2.本发明制备的电极有助于降低电解液的渗漏；
3.本发明制备的电极大幅度提高了电极性能；
4.本发明制备方法简单，可用于方法生产，大批量制备。
附图说明
图1为本发明所述一种金属空气电池用阴极。
1为金属空气电池阴极中的多孔结构。
图2为实施例中金属空气电池恒电流放电曲线。
具体实施方式
为进一步说明本发明，列举以下实施例，但本发明不限于下述实施例。
实施例：
金属空气电池电极面积为32cm2，阳极为AZ-61镁合金；电解液10％NaCl水溶液；阴极催化层中催化剂为40％MnO2/C，催化剂担载量5mg·cm-2，疏水扩散层为采用60％PTFE浸渍的碳纤维毡，碳纤维毡厚度3cm，PTFE占疏水扩散层质量的70％，集流层为泡沫镍，泡沫镍面密度为320g·m-2；载有催化层的疏水扩散层与泡沫镍在15MPa、200°C下压合2min得金属空气电池阴极。
将上述组装的电池在恒电流条件下放电，测试条件为30mA·cm-2和40mA·cm-2。从测试结果可以看出，在上述电流密度恒电流放电过程中，电池性能相对较好，在电池放电过程中未观察到电解液漏液现象。

Claims (4)

1.一种金属空气电池用阴极，包括依次叠合的催化层、疏水扩散层和集流层；
催化层以碳载锰氧化物为催化剂，PTFE为憎水剂；疏水扩散层为经PTFE乳液憎水化处理后的石墨化碳纤维毡；集流层为泡沫镍。
2.按照权利要求1所述阴极，其特征在于：
所述碳载锰氧化物为MnO/C、Mn3O4/C、Mn2O3/C、MnO2/C中的一种或二种以上的混合物，催化剂中锰氧化物占催化剂总质量的10-70％，催化层中催化剂担载量为1-10mgcm-2，PTFE质量含量为10-40％；
所述石墨化碳纤维毡的厚度为2-10mm；PTFE占疏水扩散层总质量的40-85％。
3.一种权利要求1所述阴极的制备方法，其特征在于：
（1）疏水扩散层的制备：
a．以水为溶剂配置质量浓度为10-70％的PTFE乳液；
b．选用厚度为2-10mm的石墨化碳纤维毡，并对其称重；
c．将上述步骤（1）b所述碳纤维毡浸渍于上述步骤（1）a配置好的PTFE乳液中，取出后在30°C-200°C下烘干，称重并计算PTFE含量；
d．得疏水扩散层；或，重复上述步骤（1）c至PTFE含量达40-85％，即得疏水扩散层；
（2）催化层的制备：
a．于乙醇中加入碳载锰氧化物催化剂，搅拌使之混合均匀后，逐滴加入质量浓度20-60％的PTFE水乳液，搅拌使之混合均匀以形成催化剂浆液；
b．采用刷涂或刮涂或喷涂或滚压的方法将上述步骤（2）a所得催化剂浆液涂布于步骤（1）所得疏水扩散层上，至催化剂载量为1-10mgcm-2后，于340°C-360°C条件下高温烧结10-300min，得基于疏水扩散层的催化层；
（3）阴极的制备：
a．剪裁与碳纤维毡相同形状和尺寸的泡沫镍，并将其置于步骤（2）所得催化层的疏水扩散层表面；
b．于5-20MPa的压强下，将泡沫镍和基于疏水扩散层的催化层于80°C-200°C压合1-10min，取出后得金属空气电池用阴极。
4.按照权利要求1所述阴极的制备方法，其特征在于：
步骤（2）a中所述碳载锰氧化物为MnO/C、Mn3O4/C、Mn2O3/C、MnO2/C中的一种或二种以上的混合物；
步骤（2）a中每100毫升乙醇加入碳载锰氧化物的质量为20-50毫克。
步骤（2）a所述催化剂浆液中，PTFE与碳载锰氧化物催化剂的质量比为1:9-2:3。
CN2012105635204A 2012-12-21 2012-12-21 一种金属空气电池用阴极及制备方法 Pending CN103151530A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012105635204A CN103151530A (zh) 2012-12-21 2012-12-21 一种金属空气电池用阴极及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012105635204A CN103151530A (zh) 2012-12-21 2012-12-21 一种金属空气电池用阴极及制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103151530A true CN103151530A (zh) 2013-06-12

Family

ID=48549479

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012105635204A Pending CN103151530A (zh) 2012-12-21 2012-12-21 一种金属空气电池用阴极及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103151530A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104518224A (zh) * 2013-09-29 2015-04-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种锂空气电池用一体化空气电极的制备方法
CN104779399A (zh) * 2015-03-20 2015-07-15 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种多孔气体扩散层及其制备方法
CN105129859A (zh) * 2015-09-11 2015-12-09 潘迎芬 一种八面体Mn3O4纳米颗粒的制备方法
CN105261764A (zh) * 2015-11-16 2016-01-20 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种空气阴极及其制备方法以及一种金属空气电池
CN106532193A (zh) * 2016-11-30 2017-03-22 金华市潜龙新材料科技有限公司 一种注水发电露营灯
CN107069046A (zh) * 2017-04-27 2017-08-18 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种金属空气电池阴极及其制备方法、金属空气电池
CN109671954A (zh) * 2018-12-14 2019-04-23 宁波石墨烯创新中心有限公司 多层金属空气电池阴极及其制备方法
CN112909268A (zh) * 2021-02-08 2021-06-04 哈尔滨工业大学（威海） 一种金属-空气电池的多孔碳空气电极及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102074709A (zh) * 2010-12-17 2011-05-25 武汉泓元伟力新能源科技有限公司 空气电极及制造方法和具有该空气电极的金属空气电池
CN103165902A (zh) * 2011-12-15 2013-06-19 中国科学院大连化学物理研究所 金属空气电池用阴极及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102074709A (zh) * 2010-12-17 2011-05-25 武汉泓元伟力新能源科技有限公司 空气电极及制造方法和具有该空气电极的金属空气电池
CN103165902A (zh) * 2011-12-15 2013-06-19 中国科学院大连化学物理研究所 金属空气电池用阴极及其制备方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104518224A (zh) * 2013-09-29 2015-04-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种锂空气电池用一体化空气电极的制备方法
CN104518224B (zh) * 2013-09-29 2017-02-08 中国科学院大连化学物理研究所 一种锂空气电池用一体化空气电极的制备方法
CN104779399A (zh) * 2015-03-20 2015-07-15 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种多孔气体扩散层及其制备方法
CN105129859A (zh) * 2015-09-11 2015-12-09 潘迎芬 一种八面体Mn3O4纳米颗粒的制备方法
CN105261764A (zh) * 2015-11-16 2016-01-20 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种空气阴极及其制备方法以及一种金属空气电池
CN106532193A (zh) * 2016-11-30 2017-03-22 金华市潜龙新材料科技有限公司 一种注水发电露营灯
CN107069046A (zh) * 2017-04-27 2017-08-18 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种金属空气电池阴极及其制备方法、金属空气电池
CN109671954A (zh) * 2018-12-14 2019-04-23 宁波石墨烯创新中心有限公司 多层金属空气电池阴极及其制备方法
CN112909268A (zh) * 2021-02-08 2021-06-04 哈尔滨工业大学（威海） 一种金属-空气电池的多孔碳空气电极及其制备方法
CN112909268B (zh) * 2021-02-08 2022-06-24 哈尔滨工业大学（威海） 一种金属-空气电池的多孔碳空气电极及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103151530A (zh) 一种金属空气电池用阴极及制备方法
CN110148759B (zh) 面向高电流密度的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法
CN103165902B (zh) 金属空气电池用阴极及其制备方法
CN101250713A (zh) 一种固体电解质膜电极的制备方法
CN101942672B (zh) 一种聚合物电解质膜电极的制备方法
CN102456891A (zh) 一种具有梯度孔结构的气体扩散层及其制备和应用
CN111063925B (zh) 催化剂涂覆膜、燃料电池及制备方法
CN111584880B (zh) 一种低铂质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
CN109817991B (zh) 一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
CN109921033B (zh) 一种燃料电池膜电极的制备方法
KR20080102938A (ko) 다공성 전극 촉매층을 갖는 막 전극 접합체, 그 제조 방법및 이를 채용한 연료전지
CN107881528A (zh) 一种电解池用膜电极的制备及膜电极和应用
CN102104155B (zh) 一种燃料电池用低铂阴极催化层及其应用
Chen et al. A novel catalyst layer structure based surface-patterned Nafion® membrane for high-performance direct methanol fuel cell
CN107887625A (zh) 固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用
CN111326746A (zh) 一种空气电极的制备方法
CN103474672A (zh) 一种金属空气电池多层复合阴极
CN1933224A (zh) 质子交换膜燃料电池电极和膜电极的制法
CN110416581A (zh) 一种阳极液流均相催化燃料电池及其制备方法
EP2553751A1 (en) High temperature membrane electrode assembly with high power density and corresponding method of making
CN1801512A (zh) 直接甲醇燃料电池的膜电极及其制备方法
CN114737211B (zh) 一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用
CN100524913C (zh) 直接甲醇燃料电池的膜电极的制备方法
KR20100095258A (ko) 고온형 연료전지 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 막전극 접합체
CN103367775B (zh) 一种直接液体燃料电池膜电极的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C05 Deemed withdrawal (patent law before 1993)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130612