CN103199272A - 一种用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法 - Google Patents

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宋辉
赵锋良
吴聪平
顾军
邹志刚
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Abstract

本发明公开了一种用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法，在催化剂制备过程中，直接将表面处理过的多孔金属浸入混有PTFE的催化剂原始浆液，利用多孔金属表面带负电荷极性基团与催化剂带正电荷极性基团实现二者的键合，通过水热法进一步处理，催化剂直接生长在集流体上，使得气体扩散电极的催化层具有非常稳定的物理结构。该简易制备方法，通过多孔金属集流体与石墨烯载二氧化锰催化剂之间的相互作用，实现催化剂与支撑体之间的自组装生长，从而减少电池内阻，并且强化催化剂的附着力，从而提高整个电极的性能和长期放电稳定性。具有很好的实用性，能产生较好的经济效益和社会效应。

Description

一种用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法
技术领域
本发明涉及金属空气电池技术领域，尤其涉及一种用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法。
背景技术
金属空气电池被称为是“面向21世纪的绿色能源”。此类电池具有容量大、比能量高、成本低、放电稳定等优点，广泛应用于航海中的航标灯、无人观测站、无线电中继站、军事无线电发报机等，是一种具有巨大市场前景的电源。然而，由于迄今仍缺乏合适的空气扩散电极电催化剂，使金属空气电池的放电电流密度偏小，从而大大限制了金属空气电池的应用领域和产业化步伐。
在金属空气电池中，起最重要作用的也是最影响电池性能特别是电流密度的就是空气电极的催化剂。现有的催化剂包括：贵重金属，如Pt，Ag，催化效果最好，但是非常贵，不利于开发为成品电池；含四个N的过渡金属螯合物作为催化剂，电池放电特性好，电压高，但电流很小，只适合用于助听器等小电器；尖晶石型、钙钛石型等复合金属氧化物，由于具有较高的催化活性且价格便宜可能会成为新的替代品，但这类催化剂合成工艺复杂，工艺稳定性差，不适合批量制造；金属氧化物，如MnO2，价格便宜，但是催化效果不好，且电流密度小。所以寻找到一种价格便宜、催化效果好、能够稳定批量制备的催化剂是金属空气电池发展的关键所在。
目前，金属空气电池的催化剂采用银/银化合物催化剂，性能较高，但成本过高，从而导致电池整体竞争力下降。当采用二氧化锰催化剂时，确实可以大幅度降低催化剂成本，但二氧化锰本身导电性较差，需要采用加入活性炭或者炭黑的方式增加其导电性。而且二氧化锰在球形炭材料上分散性差，导致二氧化锰颗粒大、活性比表面低。制备电极时，需要采用较高的催化剂用量，从而制备工艺复杂。
石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料，至2004年发现以来，已在实验科学和理论科学上受到了极大的关注。石墨烯是目前导电性能最出色的材料，并具有巨大的比表面积、较高的载流子迁移速率以及较高杨氏模量等特性。基于其特殊的纳米结构以及性能，石墨烯的材料已在电子学、催化、传感器、储能等诸多领域显示出了巨大的应用潜能。石墨烯的比表面积非常的大，大约为2600m2/g，理论上电子运动速率达到了光速的1/300，因此它可以作为优秀的金属空气电池催化剂载体材料。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法，以期有效解决一般二氧化锰催化剂活性低的问题；同时利用水热等方法实现了这种担载型催化剂在多孔金属表面的一体化自组装生长。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法，在催化剂制备过程中，直接将表面处理过的多孔金属浸入混有PTFE的催化剂原始浆液，利用多孔金属表面带负电荷极性基团与催化剂带正电荷极性基团实现二者的键合，通过水热法进一步处理，催化剂直接生长在集流体上，使得气体扩散电极的催化层具有非常稳定的物理结构。
所述的多孔金属选自泡沫镍、多孔钛和锈钢纤维。
所述的催化剂为石墨烯载二氧化锰。
本发明提出一种石墨烯担载型并具有纳米粒径的二氧化锰催化剂，通过优化催化剂颗粒粒径和分散度及其与载体间的相互作用，获得高活性，解决了一般二氧化锰催化剂活性低的问题；同时利用水热等方法实现了这种担载型催化剂在多孔金属表面的一体化自组装生长。
有益效果：与现有技术相比，本发明的用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法，通过多孔金属集流体与石墨烯载二氧化锰催化剂之间的相互作用，实现催化剂与支撑体之间的自组装生长，从而减少电池内阻，并且强化催化剂的附着力，从而提高整个电极的性能和长期放电稳定性。具有很好的实用性，能产生较好的经济效益和社会效应。
附图说明
图1是一体化阴极制备工艺流程图；
图2是基于不锈钢纤维的一体化阴极用于镁空电池的极化曲线图；
图3是基于泡沫镍的一体化阴极用于锌空电池的恒流放电曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法的制备流程，如图1所示，在催化剂制备过程中，直接将表面处理过的多孔金属浸入混有PTFE的催化剂原始浆液，利用多孔金属表面带负电荷极性基团与催化剂带正电荷极性基团实现二者的键合，通过水热法进一步处理，即催化剂能够直接生长在集流体上，使得气体扩散电极的催化层具有非常稳定的物理结构。传统制备工艺中，催化层都是将催化剂通过涂抹或印刷工艺制备到集流体表面和微孔中，仅仅是一种机械结合，长期工作稳定性差。而本发明中催化剂和多孔金属集流体之间通过自组装生长的方式结合，可以大大提高其长期工作的稳定性。
图2即为多孔金属集流体采用不锈钢纤维毡，通过水热法制备的一体化空气阴极应用在镁作为阳极的镁空电池中的放电曲线。从图中可以看出，电池开路电压在1.4V左右，放电的最大电流在300mA.cm-2以上。
图3为采用泡沫镍作为支撑体，制备的一体化空气电池阴极，用于锌空电池的恒流放电曲线，在环境温度为15度条件下，放电电压在30小时之后，仍然能够保持在1.13V。
而发明提出一种一体化金属空气阴极，也就是在多孔金属上直接生长石墨稀担载二氧化锰催化剂，从而实现二氧化锰催化剂在石墨稀表面的高度分散，催化剂平均粒径<30纳米，同时借助石墨稀的超高导电性，使得催化剂的氧还原性能大幅度提升。更为重要的是，由于催化剂和载体结合紧密，电池稳定性也更佳。

Claims (3)

1.一种用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法，其特征在于：在催化剂制备过程中，直接将表面处理过的多孔金属浸入混有PTFE的催化剂原始浆液，利用多孔金属表面带负电荷极性基团与催化剂带正电荷极性基团实现二者的键合，通过水热法进一步处理，催化剂直接生长在集流体上，使得气体扩散电极的催化层具有非常稳定的物理结构。
2.根据权利要求1所述的用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法，其特征在于：所述的多孔金属选自泡沫镍、多孔钛和锈钢纤维。
3.根据权利要求1所述的用于金属空气电池的一体化金属空气阴极的简易制备方法，其特征在于：所述的催化剂为石墨烯载二氧化锰。
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