CN104701555B - 一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极及其制备方法 - Google Patents

一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极，由防水透气层、集流体与催化层压制成型，所述防水透气层和催化层中的导电剂中添加石墨烯，所述导电剂还包括活性炭、乙炔黑、石墨、炭黑中的一种或几种，所述石墨烯在导电剂中重量百分比为0.1%‑100%。本发明通过将石墨烯以及石墨烯与活性炭、乙炔黑、石墨、炭黑混合组成的导电剂加入到锌空气电池的空气电极中，提高了锌空气电池的导电性能，提高电池的散热速度，改善了电池大电流工作时发热的问题；同时，石墨烯的引入提高了电极的电导率，进而改善电池的倍率性能。

Description

一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锌空气电池空气电极，具体涉及一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极及其制备方法。
背景技术
锌空气电池是一种金属空气电池，以空气中的氧气作正极活性物质，金属锌作为负极，中性或碱性的电解质水溶液作为电解液。
由于正极活性物质来自电池的外部，无需占用电池的空间，在相同体积、重量的情况下，锌空气电池内可以装入更多的负极活性物质，使得锌空气电池比普通电池的容量高出很多，其理论比能量达到1350Wh/kg 以上，实际比能量在 1000Wh/kg 以上，属于大容量高能化学电源。锌空气电池还具有比能量高、价格低廉、无污染等优点，因而锌空气电池的应用领域相当广阔，主要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、电力汽车等，但是锌空气电池依然存在严重不足，比如：空气电极导电性差、催化效率低、电池大电流放电发热等严重限制了锌空气电池的发展。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维材料，其具有超高的导电性，电阻率仅约10-6Ω·cm,是目前世界上电阻率最小的材料，同时石墨烯又具有良好的导热性能。
如何将石墨烯加入到锌空气电池，改善锌空气电池导电性差、催化效率低、电池大电流放电发热的问题，目前积蓄解决。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种具有高导电性且电池出现大电流时散热良好的基于石墨烯的锌空气电池空气电极及其制备方法。
本发明所采用的技术方案如下：一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极，由防水透气层、集流体与催化层压制成型，所述防水透气层和催化层中的导电剂中添加石墨烯,石墨烯的添加形式为石墨烯粉末或石墨烯分散液。
作为优选，所述导电剂还包括活性炭、乙炔黑、石墨、炭黑中的一种或几种，所述石墨烯在导电剂中重量百分比为0.1%-100%。
作为优选，所述石墨烯的导电率为1-2000S/m，比表面积为200-3000m2/g，粒径为100nm-20μm。
作为优选，所述防水透气层还包括粘结剂和造孔剂，所述催化层还包括催化剂、造孔剂和粘结剂。
作为优选，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种。
作为优选，所述造孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵中的一种或几种。
作为优选，所述催化剂为电解MnO2、活性炭、Au、Ag、Pt中的一种或几种。
作为优选，所述集流体为镍网、泡沫镍中的一种。
一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）防水透气层的制备：
防水透气层的各组分的质量份数组成为：导电剂1-7份，粘结剂0.5-3份，造孔剂1-5份；
首先将导电剂和造孔剂放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2-18h，混合均匀；然后逐滴滴入粘结剂，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥1-10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.05-1mm的片状；
（2）催化层的制备：
催化层的各组分的质量份数组成为：导电剂1-5份，催化剂3-8份，粘结剂0.5-3份，造孔剂2-6份；
首先将导电剂、催化剂和造孔剂放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2-18h，混合均匀；然后逐滴滴入粘结剂，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥1-10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.05-1mm的片状；
（3）空气电极制备
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型。
另外，在步骤（3）空气电极制备过程中，有如下不同的压制顺序：
先将步骤（1）中制备的防水透气层与集流体压制成型，然后再与步骤（2）中制备的催化层结合压制成空气电极；
另将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体一起压制成型，制备出空气电极；
更优地，先将步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型，然后再与步骤（1）中制备的防水透气层结合压制成空气电极，按照此法压制出的空气电极，形成了致密，均匀的微孔结构，因此液相和气相传质性能得到改善，使空气电极的电化学性能和寿命明显提高。
作为优选，所述防水透气层、集流体、催化层依次布置为：防水透气层、集流体、催化层。
作为优选，所述防水透气层、集流体、催化层依次布置还可以为：防水透气层、催化层、集流体。
作为优选，所述防水透气层、集流体、催化层依次布置还可以为：催化层、防水透气层、集流体。
更优地，所述防水透气层、集流体、催化层依次布置为：防水透气层、集流体、防水透气层、催化层，按照这个布置顺序制备的空气电极，导电性能尤其好，电池散热效果极佳。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：石墨烯具有良好的导电导热性能，本发明通过将石墨烯以及石墨烯与活性炭、乙炔黑、石墨、炭黑混合组成的导电剂加入到锌空气电池的空气电极中，提高了锌空气电池的导电性能，提高电池的散热速度，改善了电池大电流工作时发热的问题；同时，石墨烯的引入提高了电极的电导率，进而改善电池的倍率性能。
先将催化层与集流体压制成型，然后再与防水透气层结合压制成空气电极，按照此法压制出的空气电极，形成了致密，均匀的微孔结构，因此液相和气相传质性能得到改善，使空气电极的电化学性能和寿命明显提高。
防水透气层、集流体、防水透气层、催化层，按照这个布置顺序制备的空气电极，不但提高了导电性能，而且改善了电池散热效果，同时有效改善了电池的磨损，提高了电池的使用寿命。
石墨烯的加入在提高电极导电性的同时又可改善电池大电流放电发热的问题，可大大提高锌空气电池的性能，扩展其使用领域。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1-7中空气电极极化曲线对比图。
具体实施方式
使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1：
本实施例中，防水透气层中各原料的质量份数组成为：石墨烯与活性炭及石墨的混合导电剂1份，其中石墨烯的重量百分比为0.1%，聚偏氟乙烯（PVDF）0.5份，碳酸铵1份。
催化层中各原料的质量份数组成为：活性炭1份，电解MnO2 3份，聚四氟乙烯（PTFE） 0.5份，碳酸氢铵2份。
本发明提供的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备步骤如下：
（1）防水透气层的制备：
首先将由石墨烯与活性炭及石墨组成的混合导电剂和碳酸铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2h，混合均匀；然后逐滴滴入PVDF，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥1天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.05mm的片状；
（2）催化层的制备：
首先将活性炭、电解MnO2和碳酸氢铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥1天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.05mm的片状；
（3）空气电极制备
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型。
先将步骤（1）中制备的防水透气层与集流体压制成型，然后再与步骤（2）中制备的催化层结合压制成空气电极；
本实施例制备出的锌空气电池空气电极依次布置为：防水透气层、集流体、催化层。
实施例2：
本实施例中，防水透气层中各原料的质量份数组成为：石墨烯与活性炭及乙炔黑的混合导电剂1份，其中石墨烯的重量百分比为14%，聚四氟乙烯（PTFE） 0.5份，碳酸铵1份。
催化层中各原料的质量份数组成为：活性炭及乙炔黑组成的混合导电剂1份，电解MnO2 5份，聚四氟乙烯（PTFE） 1份，碳酸铵3份。
本发明提供的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备步骤如下：
（1）防水透气层的制备：
首先将由石墨烯与活性炭及乙炔黑组成的混合导电剂和碳酸铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.3mm的片状；
（2）催化层的制备：
首先将活性炭及乙炔黑组成的混合导电剂、电解MnO2和碳酸铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌18h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥5天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.3mm的片状；
（3）空气电极制备
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体一起压制成型。
本实施例制备出的锌空气电池空气电极依次布置为：防水透气层、催化层、集流体。
实施例3：
本实施例中，防水透气层中各原料的质量份数组成为：石墨烯与石墨及乙炔黑的混合导电剂7份，其中石墨烯的重量百分比为25%，聚四氟乙烯（PTFE） 3份，氯化铵5份。
催化层中各原料的质量份数组成为：石墨烯与活性炭及石墨组成的混合导电剂5份，其中石墨烯的重量百分比为14%，电解MnO2 8份，聚四氟乙烯（PTFE）0.5份，氯化铵2份。
本发明提供的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备步骤如下：
（1）防水透气层的制备：
首先将由石墨烯与石墨及乙炔黑组成的混合导电剂和氯化铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌12h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥7天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.8mm的片状；
（2）催化层的制备：
首先将石墨烯与活性炭及石墨组成的混合导电剂、电解MnO2和氯化铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌10h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥8天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.05mm的片状；
（3）空气电极制备
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体一起压制成型。
先将步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型，然后再与步骤（1）中制备的防水透气层结合压制成空气电极，按照此法压制出的空气电极，形成了致密，均匀的微孔结构，因此液相和气相传质性能得到改善，使空气电极的电化学性能和寿命明显提高。
本实施例制备出的锌空气电池空气电极依次布置为：防水透气层、集流体、防水透气层、催化层，按照这个布置顺序制备的空气电极，导电性能尤其好，电池散热效果极佳。
实施例4：
本实施例中，防水透气层中各原料的质量份数组成为：石墨烯与活性炭的混合导电剂1份，其中石墨烯的重量百分比为50%，聚四氟乙烯（PTFE）1份，碳酸铵2份。
催化层中各原料的质量份数组成为：石墨烯与活性炭及石墨组成的混合导电剂2份，其中石墨烯的含量为50%，电解MnO2 3份，聚四氟乙烯（PTFE）0.5份，碳酸铵2份。
本发明提供的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备步骤如下：
（1）防水透气层的制备：
首先将由石墨烯与活性炭组成的混合导电剂和碳酸铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌5h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥6天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.5mm的片状；
（2）催化层的制备：
首先将石墨烯与活性炭及石墨组成的混合导电剂、电解MnO2和碳酸铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌10h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥7天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.6mm的片状；
（3）空气电极制备
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体一起压制成型。
先将步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型，然后再与步骤（1）中制备的防水透气层结合压制成空气电极，按照此法压制出的空气电极，形成了致密，均匀的微孔结构，因此液相和气相传质性能得到改善，使空气电极的电化学性能和寿命明显提高。
本实施例制备出的锌空气电池空气电极依次布置为：防水透气层、集流体、防水透气层、催化层，按照这个布置顺序制备的空气电极，导电性能尤其好，电池散热效果极佳。
实施例5：
本实施例中，防水透气层中各原料的质量份数组成为：石墨烯与乙炔黑的混合导电剂5份，其中石墨烯的重量百分比为90%，聚四氟乙烯（PTFE）2份，碳酸氢铵3份。
催化层中各原料的质量份数组成为：石墨烯与活性炭及乙炔黑组成的混合导电剂3份，其中石墨烯的含量为50%，电解MnO2 6份，聚四氟乙烯（PTFE）3份，碳酸氢铵6份。
本发明提供的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备步骤如下：
（1）防水透气层的制备：
首先将由石墨烯与乙炔黑组成的混合导电剂和碳酸氢铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌18h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥9天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.8mm的片状；
（2）催化层的制备：
首先将石墨烯与活性炭及乙炔黑组成的混合导电剂、电解MnO2和碳酸氢铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.8mm的片状；
（3）空气电极制备
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体一起压制成型。
先将步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型，然后再与步骤（1）中制备的防水透气层结合压制成空气电极，按照此法压制出的空气电极，形成了致密，均匀的微孔结构，因此液相和气相传质性能得到改善，使空气电极的电化学性能和寿命明显提高。
本实施例制备出的锌空气电池空气电极依次布置为：防水透气层、集流体、防水透气层、催化层，按照这个布置顺序制备的空气电极，导电性能尤其好，电池散热效果极佳。
实施例6：
本实施例中，防水透气层中各原料的质量份数组成为：石墨烯7份，其中石墨烯的重量百分比为100%，聚四氟乙烯（PTFE）3份，碳酸氢铵5份。
催化层中各原料的质量份数组成为：石墨烯5份，其中石墨烯的含量为100%，电解MnO2 8份，聚偏氟乙烯（PVDF）3份，碳酸氢铵6份。
本发明提供的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备步骤如下：
（1）防水透气层的制备：
首先将由石墨烯和碳酸氢铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌18h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为1mm的片状；
（2）催化层的制备：
首先将石墨烯、电解MnO2和碳酸氢铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2h，混合均匀；然后逐滴滴入PVDF，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为1mm的片状；
（3）空气电极制备：
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体一起压制成型。
先将步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型，然后再与步骤（1）中制备的防水透气层结合压制成空气电极，按照此法压制出的空气电极，形成了致密，均匀的微孔结构，因此液相和气相传质性能得到改善，使空气电极的电化学性能和寿命明显提高。
本实施例制备出的锌空气电池空气电极依次布置为：防水透气层、集流体、防水透气层、催化层，按照这个布置顺序制备的空气电极，导电性能尤其好，电池散热效果极佳。
实施例7：
本实施例作为对比实施例，本实施例中，防水透气层中各原料的质量份数组成为：石墨与乙炔黑组成的混合导电剂7份，聚四氟乙烯（PTFE）3份，碳酸氢铵5份。
催化层中各原料的质量份数组成为：活性炭与乙炔黑组成的混合导电剂5份，电解MnO2 8份，聚偏氟乙烯（PVDF）3份，碳酸氢铵6份。
本发明提供的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备步骤如下：
（1）防水透气层的制备：
首先将由石墨烯和碳酸氢铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌18h，混合均匀；然后逐滴滴入PTFE，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为1mm的片状；
（2）催化层的制备：
首先将石墨烯、电解MnO2和碳酸氢铵放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2h，混合均匀；然后逐滴滴入PVDF，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为1mm的片状；
（3）空气电极制备：
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体一起压制成型。
先将步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型，然后再与步骤（1）中制备的防水透气层结合压制成空气电极，按照此法压制出的空气电极。
本实施例制备出的锌空气电池空气电极依次布置为：防水透气层、集流体、防水透气层、催化层。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极，由防水透气层、集流体与催化层压制成型，其特征在于：所述防水透气层和催化层中的导电剂中添加石墨烯；
所述导电剂还包括活性炭、乙炔黑、石墨、炭黑中的一种或几种，所述石墨烯在导电剂中重量百分比为0.1%-100%；
所述石墨烯的导电率为1-2000S/m，比表面积为200-3000m2/g，粒径为100nm-20μm；
所述的基于石墨烯的锌空气电池空气电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）防水透气层的制备：
防水透气层的各组分的质量份数组成为：导电剂1-7份，粘结剂0.5-3份，造孔剂1-5份；
首先将导电剂和造孔剂放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2-18h，混合均匀；然后逐滴滴入粘结剂，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥1-10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.05-1mm的片状；
（2）催化层的制备：
催化层的各组分的质量份数组成为：导电剂1-5份，催化剂3-8份，粘结剂0.5-3份，造孔剂2-6份；
首先将导电剂、催化剂和造孔剂放入装有无水乙醇的烧杯中，搅拌2-18h，混合均匀；然后逐滴滴入粘结剂，继续搅拌，混合均匀；在室温下干燥1-10天后，获得粉状膏体，将粉状膏体放到辊压机上造粒，最终滚压成厚度为0.05-1mm的片状；
（3）空气电极制备：
将步骤（1）中制备的防水透气层、步骤（2）中制备的催化层与集流体压制成型；
所述防水透气层、集流体、催化层依次布置为：防水透气层、集流体、防水透气层、催化层。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极，其特征在于：所述防水透气层还包括粘结剂和造孔剂，所述催化层还包括催化剂、造孔剂和粘结剂。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极，其特征在于：所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极，其特征在于：所述造孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵中的一种或几种。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极，其特征在于：所述催化剂为电解MnO2、活性炭、Au、Ag、Pt中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极，其特征在于：所述集流体为镍网、泡沫镍中的一种。
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