CN103515619A - 一种金属/空气电池用空气电极集流体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属/空气电池，具体地说是金属/空气电池空气电极集流体。本发明所述集流体包括由完整的泡沫镍制成的第一集流单元和泡沫镍上开设有孔的第二集流单元叠压而成。本发明与现有技术相比，有利于提高金属/空气电池空气电极在大电流放电时的集流能力，同时不影响空气电极中的空气扩散性能，有利于金属/空气电池大电流放电时电池性能的提高，同时该集流体的制备方法简单，并且几乎不额外增加原有阴极制备工艺的复杂性。

Description

一种金属/空气电池用空气电极集流体
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集流体结构。
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。
对于金属/空气电池的空气电极，其集流能力对电池的性能有很大的影响。当金属/空气电池以较大功率（较大电流）输出时，往往其电极面积也相应增加，进而导致电极有效集流困难。为满足金属/空气电池大电流工作的需要，急需提高金属/空气电池空气阴极的集流能力。
传统的金属/空气电池空气电极采用泡沫镍为集流体和骨架，并在泡沫镍中填充碳和疏水材料（如PTFE）作为扩散层。在上述扩散层上依次制备微孔层、催化层。由于该阴极结构需兼顾气体扩散与电子传输，因此，扩散层中疏水材料含量不宜过高。然而，当将上述阴极在采用中性盐（如NaCl水溶液）为电解质的金属/空气电池中使用时，由于Cl-的存在，使得以泡沫镍作支撑材料和集流体的电极腐蚀严重，寿命显著缩短。为解决以上问题，专利201110421438.3中提出了一种以碳纤维毡作为电极支撑结构的新型电极结构，采用该电极的镁/空气电池性能和稳定性得到显著的提高。但是，当电极面积较大并以高电流密度放电时，电池性能随之下降。这主要是由于，尽管采用面密度高的泡沫镍或增加泡沫镍集流体的厚度可有效降低集流体的电阻，但却阻碍了空气的扩散，从而导致了电池性能的降低。
中国专利200610103564.3公开了一种泡沫镍复合体，该复合体由多层孔密度不同的泡沫镍层构成，其解决了泡沫镍用作碱性二次电池正负极集流体时抗拉强度低的问题，同时也提高了电极浆液填充率和集流效果，但将其用作金属/空气电池空气阴极集流体时却因阻碍了阴极空气的扩散导致了电池性能的下降。
因此，如何解决金属/空气电池空气电极集流和空气扩散之间的矛盾，成为影响金属/空气电池放电性能的重要因素。
发明内容
本发明针对现有金属/空气电池空气电极集流性能的不足，提供了一种通气性能良好、集流性能良好的金属/空气电池用空气电极集流体。
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/空气电池用空气电极，包括催化层、疏水扩散层和集流体；
催化层以碳载锰氧化物为催化剂，PTFE为憎水剂；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，催化层中催化剂担载量为2-10mg cm-2，PTFE含量为10-40％。
疏水扩散层为经PTFE乳液憎水化处理后的石墨化碳纤维毡；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％。
一种金属/空气电池用空气电极集流体，为泡沫镍的层状结构，于层状结构的泡沫镍上表面开设有凹槽，每个凹槽的于泡沫镍表面投影的面积0.25-100平方厘米，从平行于泡沫镍表面的方向看，开设有凹槽的泡沫镍上层区域构成第二集流单元，不具有凹槽的泡沫镍下层区域构成第一集流单元。
所述第一集流单元为整体的泡沫镍结构，所述第二集流单元为带有通孔的泡沫镍结构，泡沫镍的外侧表面设置有集流点。
所述第二集流单元的开孔率为10％-60％。
所述第二集流单元可根据开孔率情况分为A、B、C三个区域；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，所述A区为＜1/3半径的圆内所处区域，A区的开孔率为10％-60％；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，所述B区为1/3-2/3半径的圆内所处区域，B区的开孔率为20％-80％；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，所述C区为＞2/3半径的圆内所处区域，C区的开孔率为30％-90％。
所述第一集流单元的厚度为1-3mm，所述第二集流单元的厚度为1-3mm。
所述作为集流体的泡沫镍的面密度为300-420g/cm2。
所述第一集流单元采用的泡沫镍的面密度为300-420g/m2，所述第二集流单元采用的泡沫镍的面密度为300-420g/m2。
与现有技术相比，本发明所述金属/空气电池用空气电极集流体具有以下优点：
1.采用层状泡沫镍结构作为金属空气电池的集流体，其中第一集流单元为整体的泡沫镍结构，第二集流单元为层状泡沫镍上开设有凹槽的上层部分或为带有通孔的泡沫镍结构，其叠加于第一集流单元之上。上述结构设计使得部分集流部位泡沫镍厚度增加，从而有效的提高了集流体的集流性能，同时因第二集流单元上的开孔设计也保证了集流体对于空气的扩散传导能力，进而有效的提高了金属/空气电池大电流放电时的电池性能。
2.采用不同区域开孔率不同的第二集流单元，在保证总开孔率不变的情况下，在离集流点较近的区域内，降低泡沫镍的开孔率，进一步解决了集流点附近电流传导“阻塞”的问题，从而提高了集流体的整体集流能力。
3.该结构集流体的制备方法简单，并且几乎不额外增加原有阴极制备工艺的复杂性；
附图说明
图1为一种采用本发明所述集流体的金属/空气电池阴极结构示意图。
图2为一种类型第二集流单元结构示意图。
图3为另一种类型第二集流单元结构示意图。
图4为另一种类型第二集流单元结构示意图。
图5为采用图4所示空气电极集流体与单层泡沫镍空气电极集流体的镁/空气电池性能对比。阳极为AZ61镁板，阴极催化剂MnOx/C，载量为5mg/cm2，电解质溶液为10％NaCl水溶液，测试温度为室温。
图中，1为催化层；2为扩散层；3为第一集流单元；4为第二集流单元。
具体实施方式
一种金属/空气电池用空气电极，包括催化层、疏水扩散层和集流体；
催化层以碳载锰氧化物（MnOx/C）为催化剂，PTFE为憎水剂；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，催化层中催化剂担载量为5mg cm-2，PTFE含量为20％。
疏水扩散层为经PTFE乳液憎水化处理后的石墨化碳纤维毡；石墨化碳纤维毡的厚度为5mm；PTFE占疏水扩散层总质量的60％。
一种金属/空气电池用空气电极集流体，第一集流单元为正方形（8cm×8cm）整体的泡沫镍结构，其面密度为380g/m2，厚度为1.7mm；第二集流单元为带有通孔的泡沫镍结构，其外边缘与第一集流单元形状和大小相同，且其上部边缘设置有集流点，其面密度为380g/m2，厚度为1.7mm。
第二集流单元分为A、B、C三个区域，如图4所示；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，A区为＜1/3半径的圆内所处区域，A区的开孔率为20％；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，所述B区为1/3-2/3半径的圆内所处区域，B区的开孔率为30％；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，所述C区为＞2/3半径的圆内所处区域，C区的开孔率为40％。
图5为相同测试条件下，上述实施例的镁/空气电池性能与单层泡沫镍空气电极集流体的镁/空气电池性能对比。可以看出，镁/空气电池放电后端（即大电流区间）电池性能提高明显，这主要是由于该集流体一方面增强了集流体的集流能力，同时也保证了空气阴极的有效气体扩散。

Claims (7)

1.一种金属/空气电池用空气电极集流体，为泡沫镍的层状结构，其特征在于：
于层状结构的泡沫镍上表面开设有凹槽，每个凹槽的于泡沫镍表面投影的面积0.25-100平方厘米，从平行于泡沫镍表面的方向看，开设有凹槽的泡沫镍上层区域构成第二集流单元，不具有凹槽的泡沫镍下层区域构成第一集流单元。
2.如权利要求1所述集流体，其特征在于：
所述第一集流单元为整体的泡沫镍结构，所述第二集流单元为带有通孔的泡沫镍结构，泡沫镍的外侧表面设置有集流点。
3.如权利要求2所述集流体，其特征在于：所述第二集流单元的开孔率为10％-60％。
4.如权利要求2或3所述集流体，其特征在于：所述第二集流单元可根据开孔率情况分为A、B、C三个区域；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，所述A区为＜1/3半径的圆内所处区域，A区的开孔率为10％-60％；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，所述B区为1/3-2/3半径的圆内所处区域，B区的开孔率为20％-80％；
以集流点为圆心，以集流点至第二集流单元上距集流点最远端距离为半径，所述C区为＞2/3半径的圆内所处区域，C区的开孔率为30％-90％。
5.如权利要求1、2或3所述集流体，其特征在于：所述第一集流单元的厚度为1-3mm，所述第二集流单元的厚度为1-3mm。
6.如权利要求1、2或3所述集流体，其特征在于：所述作为集流体的泡沫镍的面密度为300-420g/m2。
7.如权利要求1、2或3所述集流体，其特征在于：所述第一集流单元采用的泡沫镍的面密度为300-420g/m2，所述第二集流单元采用的泡沫镍的面密度为300-420g/m2。
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