CN104716334B - 一种金属空气电池用双疏水层空气阴极 - Google Patents

一种金属空气电池用双疏水层空气阴极 Download PDF

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Abstract

一种金属/空气电池用空气阴极，主要包括依次层状叠合的第一疏水透气层、第二疏水透气层、集流体和催化层；所述第一疏水透气层孔隙率大于第二疏水透气层孔隙率。与现有技术相比，本发明所述空气电极中第一疏水透气层与第二疏水透气层中的孔隙结构不同，一方面有利于金属空气电池中空气电极侧空气的传质，另一方面可以有效防止电解液外渗，并有利于降低电解液中水的挥发及空气中水的进入，提高了电池的稳定性。

Description

一种金属空气电池用双疏水层空气阴极
技术领域
本发明涉及金属空气电池用阴极，具体地说是一种用于镁、铝、锌等金属空气电池用阴极。
背景技术
金属空气电池是一种以镁、铝、锌金属作为阳极活性物质，空气中氧气作为阴极活性物质，碱性或中性盐水为电解质溶液的电化学反应装置。金属空气电池是很有应用前景的绿色洁净能源之一。
金属空气电池在空气电极上发生氧还原反应，空气阴极是影响其性能优异的核心部件之一。当金属空气电池采用锌为阳极燃料时，多采用高浓度碱性KOH溶液作为电解质溶液，电解液易于从空气电极表面外渗，另外，大电流放电条件下，电池产生大量的热，加速电池内水分的挥发，易造成电解液的干涸；另一方面，当电池在湿度较大条件下使用时，空气中的水分会进入电池内部稀释电解液，影响电池放电稳定性。为解决以上问题，专利CN101702435A提出了多层疏水透气层组成的阴极，采用该电极结构的空气电极降低了水的蒸发流失，提高了电极的稳定性，但采用多层聚四氟乙烯涂层，制备工艺复杂，同时处理过程中聚四氟乙烯涂层若不满足一定的均匀性，将直接影响电极的憎水性，在一定程度上影响电极稳定性。专利CN202067864U中提出了一种防水层辊压在气体疏水透气层一侧的空气电极，可以防止电解液的挥发和空气中的水分进入电池内部，但在一定程度上增加了电极电阻，使空气电极的放电性能低下。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出了一种双层疏水透气层空气电极，采用以下具体方案来实现：
一种金属/空气电池用空气阴极，主要包括依次层状叠合的第一疏水透气层、第二疏水透气层、集流体和催化层；所述第一疏水透气层孔隙率大于第二疏水透气层孔隙率。
所述第一疏水透气层的孔隙率为30%-80%，第二疏水透气层的孔隙率为25%-75%。
所述第一疏水透气层和第二疏水透气层厚度比为1:1-4:1；所述第一疏水透气层和催化气层厚度比为1:1-8:1。
所述第一疏水透气层和第二疏水透气层包括疏水剂和碳材料；所述第一疏水透气层中疏水剂的质量含量为40%-80%；所述第二疏水透气层中疏水剂的质量含量为35%-75%。
所述疏水剂为聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化物、聚乙烯中的一种或两种以上；
所述碳材料为乙炔黑、BP2000、XC-72、EC-600JD中的一种或两种以上。
所述集流体为泡沫铜网、泡沫镍网、不锈钢网、拉伸铜网、拉伸镍网、编织铜网、编织镍网中的一种。
所述催化层包括氧还原电催化剂、碳材料和疏水剂；所述催化剂为碳载银锰催化剂、碳载银催化剂、碳载锰催化剂、碳载钴催化剂，尖晶石型催化剂中的一种或两种以上；
所述憎水剂为聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化物、聚乙烯中的一种或两种以上；
所述碳材料为乙炔黑、BP2000、XC-72、EC-600JD中的一种或两种以上。
所述空气电极由第一疏水透气层、第二疏水透气层、集流体和催化层经辊压或油压热处理制备而成。
与现有技术相比，本发明所述空气电极中第一疏水透气层与第二疏水透气层中的孔隙结构不同（具体表现为孔隙率和疏水剂的含量不同），（1）有利于金属空气电池中空气电极侧空气的传质；（2）有利于阻止电极的剥离；（3）有效防止电解液在电极表面外渗，有利于降低电解液中水的挥发及空气中水的进入，提高了电池的稳定性。
附图说明
图1为采用本发明所述阴极制备的金属空气电池恒流放电曲线；
图2为一种金属空气电极用空气电极结构示意图；
图中，1-疏水透气层1、2-疏水透气层2、3-集流体、4-催化层。
具体实施方式
实施例1
空气阴极包括依次层状叠合的第一疏水透气层、第二疏水透气层、集流体和催化层，第一疏水透气层的孔隙率为70.5%，第二疏水透气层的孔隙率为64.5%。第一疏水透气层由乙炔黑与PTFE混合经辊压工艺制备而成，PTFE含量为70%，第一疏水透气层厚度为0.30mm;第二疏水透气层由乙炔黑与PTFE混合经辊压工艺制备而成，PTFE含量为60%，第二疏水透气层厚度为0.25mm；第一疏水透气层厚度为0.5mm;
集流层为表面涂覆有催化剂膏体的拉伸镍网，催化剂膏体的组成及含量：碳载银锰催化剂的含量10%，疏水剂PTFE的含量为20%，碳材料为BP2000。
催化层中氧还原电催化剂为碳载银锰催化剂，载量为4mg/cm2；催化层厚度为0.60mm。催化层中碳载体有乙炔黑与BP2000混合而成，催化剂与碳载体混合物所占比例为67.5%，PTFE质量分数为37.5%。
空气电极由第一疏水透气层、第二疏水透气层、集流体和催化层经辊压工艺制备而成。
锌阳极为由锌粉压制而成；厚度0.5mm；
上述空气电池组装成锌/空气电池进行测试，其中电极面积为380cm2；测试条件为：室温，50mA/cm2恒电流测试；测试结果如图1所示，一次插拔锌膏电极可放达7h。
实施例2
本实施例中空气阴极结构与上述结构相同，其中，第一疏水透气层的孔隙率为65%，第二疏水透气层的孔隙率为55.5%。
实施例3
本实施例中空气阴极结构与上述结构相同，其中，第一疏水透气层的孔隙率为40.6%，第二疏水透气层的孔隙率为34.3%。
实施例4
本实施例中空气阴极结构与上述结构相同，其中，第一疏水透气层的孔隙率为80%，第二疏水透气层的孔隙率为75%。
实施例5
本实施例中空气阴极结构与上述结构相同，其中，第一疏水透气层的孔隙率为30%，第二疏水透气层的孔隙率为25%。
上述实施例2-5所述空气阴极与实施例1中相同的金属阳极及相同放电条件下测试，测试结果表明，其均可在50mA/cm2下稳定放电。

Claims (5)

1.一种金属/空气电池用双疏水层空气阴极，其特征在于：主要包括依次层状叠合的第一疏水透气层、第二疏水透气层、集流体和催化层；所述第一疏水透气层孔隙率大于第二疏水透气层孔隙率；
所述第一疏水透气层的孔隙率为35％-80％，第二疏水透气层的孔隙率为25％-75％；
所述第一疏水透气层和第二疏水透气层厚度比为1:1-4:1；所述第一疏水透气层和催化气层厚度比为1:1-8:1；
所述第一疏水透气层和第二疏水透气层包括疏水剂和碳材料；所述第一疏水透气层中疏水剂的质量含量为40％-80％；所述第二疏水透气层中疏水剂的质量含量为35％-75％。
2.按照权利要求1所述双疏水层空气阴极，其特征在于：
所述疏水剂为聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化物、聚乙烯中的一种或两种以上；
所述碳材料为乙炔黑、BP2000、XC-72、EC-600JD中的一种或两种以上。
3.按照权利要求1所述双疏水层空气阴极，其特征在于：
所述集流体为泡沫铜网、泡沫镍网、不锈钢网、拉伸铜网、拉伸镍网、编织铜网、编织镍网中的一种。
4.按照权利要求1所述双疏水层空气阴极，其特征在于：
所述催化层包括氧还原电催化剂、碳材料和疏水剂；所述催化剂为碳载银锰催化剂、碳载银催化剂、碳载锰催化剂、碳载钴催化剂，尖晶石型催化剂中的一种或两种以上；
所述疏水剂为聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化物、聚乙烯中的一种或两种以上；
所述碳材料为乙炔黑、BP2000、XC-72、EC-600JD中的一种或两种以上。
5.按照权利要求1所述双疏水层空气阴极，其特征在于：
所述空气电极由第一疏水透气层、第二疏水透气层、集流体和催化层经辊压或油压热处理制备而成。
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