CN106684392A - 阴极空气电极、水发电金属空气电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于金属空气电池领域，提供了一种阴极空气电极、水发电金属空气电池及制备方法，所述水发电金属空气电池包括至少两组电堆单元，且相邻电堆单元之间层迭排列，所述电堆单元包括阴极空气电极，所述阴极空气电极包括催化层和防水透气集电层；所述催化层包括石墨烯和纳米银，所述防水透气集电层包括泡沫镍集电网和纳米银，所述防水透气集电层中的纳米银依附在所述泡沫镍集电网的网孔中。本发明提供的水发电金属空气电池的阴极空气电极中，通过使用石墨烯与纳米银，增加了阴极空气电极中碳极粉体的导电性，进而提高水发电金属空气电池的导电性能。由此获得的阴极空气电极，整体的厚度较薄、用量较省，成本较为低廉。

Description

阴极空气电极、水发电金属空气电池及制备方法

技术领域

本发明属于金属空气电池领域，尤其涉及一种阴极空气电极、水发电金属空气电池及其制备方法。

背景技术

水发电金属空气电池原理是运用既有的活性金属透过碳元素层与氧分子接触而发生氧化反应产生电流。大多数水发电金属空气电池都是将金属阳极置于电解液槽中，而空气电极置于槽体的侧壁，氧气透过具防水透气的空气电极进入到电解液槽中与金属离子产生氧化反应。

上述水发电金属空气电池电解液槽体积大、携带不便，并且需要反复经常更换电解液，使用上较为不便。为解决这一技术问题，部分研究人员将金属空气电池的空气电极透过一层吸水层与金属阳极接触，使其更近距离地接触反应。这种水发电金属空气电池在加水前不反应、不自损，可长时间储备，携带方便、重量轻，而金属阳极的能量密度高可以较长时效的工作放电。可适用于灯具、移动通讯设备的充电等用途，提供长备、应急、即时供电的加水后发电的供电电源。

然而，现有的水发电金属空气电池中，吸水层所用材料为防水性能较佳的聚四氟乙烯，而聚四氟乙烯不具导电性且内阻大，这影响了膜片整体的导电性能，进而造成电池空气电极的性能不佳，进而影响了电池的导电效能。此外，在一般的水发电金属空气电池的制备过程中皆包含了防水透气层及催化层的制备，这两者的用料、工序制程等都相近，工序耗时且材料成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种水发电金属空气电池的阴极空气电极及其制备方法、一种水发电金属空气电池及其制备方法，旨在提高水发电金属空气电池的导电性能和电压，同时降低其生产成本和生产时间。

本发明是这样实现的，一种水发电金属空气电池的阴极空气电极，所述阴极空气电极包括催化层和防水透气集电层；所述催化层包括石墨烯和纳米银，所述防水透气集电层包括泡沫镍集电网和纳米银；其中，所述防水透气集电层中的纳米银依附在所述泡沫镍集电网的网孔中。

进一步地，所述纳米银的粒径为15-35nm。

进一步地，所述石墨烯与所述催化层中的纳米银的质量比为1:8-10；所述石墨烯和所述催化层中的纳米银在所述催化层中的质量分数为5％-10％。

进一步地，所述催化层还包括催化剂，所述催化剂包括氧化银及二氧化锰；所述氧化银在所述催化层中的质量分数为3％-10％，所述二氧化锰在所述催化层中的质量分数为8％-15％。

本发明还提供了一种水发电金属空气电池，包括至少两组电堆单元，且相邻电堆单元之间层迭排列，所述电堆单元包括透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层及上述的阴极空气电极，所述透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层及阴极空气电极顺次排列；所述水发电金属空气电池还包括若干个金属连接片；所述至少两组电堆单元从上至下依次排列，且在相邻的两个电堆单元之间中，较上的电堆单元的阴极空气电极与较下的电堆单元的活性金属阳极通过所述金属连接片连接。

进一步地，所述金属连接片的两端分别嵌入所述较上的电堆单元的阴极空气电极与较下的电堆单元的活性金属阳极中。

进一步地，所述金属连接片为U形连接片，所述U形连接片包括用于固定所述金属阳极的铆钉及用于固定所述阴极空气电极的钉爪。

进一步地，所述透气绝缘层为可透过空气的网格结构，所述透气绝缘层的材质为绝缘塑料。

本发明还提供了一种上述的阴极空气电极的制备方法，包括：

催化层制备步骤：在溶剂中加入活性碳、乙炔黑，再加入石墨烯及纳米银，进行搅拌，并在搅拌过程中加入催化剂，制得催化层；所述搅拌温度为40-60℃，搅拌时间为2-6小时；所述溶剂为乙醇或丙酮；

防水透气集电层制备步骤：将纳米银喷涂于泡沫镍的表面，恒温干燥，制得防水透气集电层；所述恒温干燥的温度为60-80℃；

阴极空气电极制备步骤：以平压加热方式将制得的催化层和防水透气集电层进行热压黏合；所述加热温度为80℃-120℃，加热时间为5-10分钟。

本发明还提供了一种上述的水发电金属空气电池的制备方法，包括以下步骤：

准备透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层、阴极空气电极及平面金属片；所述平面金属片的一端为铆钉，另一端为带钉爪形状的钉爪；

将所述平面金属片的铆钉插穿活性金属阳极的固定圆孔并压合，将所述钉爪穿刺入阴极空气电极并压合；两端加工完成后，再对折中间夹入一片透气绝缘层并压紧；

按照透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层及阴极空气电极依次排列，制得电堆单元及水发电金属空气电池；将所述水发电金属空气电池用紧束带束紧。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例所提供的水发电金属空气电池的阴极空气电极中，在所述阴极空气电极的催化层中通过使用石墨烯与纳米银，以纳米银作为单层石墨烯间的搭桥，使得石墨烯单层晶体结构可以组合为多层，从而增加阴极空气电极中碳极粉体的导电性，进而提高水发电金属空气电池的导电性能。由此获得的阴极空气电极，整体的厚度较薄、用量较省，成本就较为低廉。相较使用聚四氟乙烯形成的空气电极性能可提高60％-80％，相较纤维布/纸的碳层涂布的阴极电极性能可提高2-3倍。此外，所述阴极空气电极的防水透气集电层中以纳米银涂布于泡沫镍集电网实现，该防水透气集电层可同时作为集电网层及防水透气层，可取代原本在防水透气层中导电性不佳、内阻大且用量比例高的聚四氟乙烯防水材料，从而提高电池的导电性，且降低生产成本。

进一步地，本发明实施例提供的水发电金属空气电池由若干个电堆单元层迭排列而成，相邻的电堆单元之间间隔了透气绝缘层；多个电堆单元层迭时，使用金属连接片连接不同电堆单元的正极和负极，使其形成串联回路，这不仅可以确保水发电金属空气电池使用过程中的导电性能，而且省去了焊接的麻烦。多个电堆单元串联后的电池的电压增加，可用以配合不同电压需求的需电装置使用。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的石墨烯与纳米银进行结合的原理示意图；

图2是本发明第二实施例提供的水发电金属空气电池的结构示意图；

图3a是本发明第二实施例提供的水发电金属空气电池的立体结构示意图，图3b是水发电金属空气电池的分解结构示意图；

图4是本发明第二实施例提供的U形连接片及其与活性金属阳极、阴极空气电极连接的结构示意图；

图5是本发明第二实施例提供的活性金属阳极与阴极空气电极之间夹入透气绝缘层的制备过程示意图；

图6是本发明实施例提供的电池a，b，c的性能测试结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明第一实施例提供了一种水发电金属空气电池的阴极空气电极，所述阴极空气电极包括催化层和防水透气集电层；所述催化层包括石墨烯和纳米银，所述防水透气集电层包括泡沫镍集电网和纳米银，其中，所述防水透气集电层中的纳米银依附在所述泡沫镍集电网的网孔中。

如图1所示，图1中a为单层石墨烯，b为纳米银。在所述催化层中通过使用石墨烯与纳米银b，以纳米银b作为单层石墨烯a间的搭桥，使得石墨烯单层晶体结构可以组合为多层，从而增加阴极空气电极中碳极粉体的导电性，进而提高水发电金属空气电池的导电性能。由此获得的阴极空气电极，整体的厚度较薄、用量较省，成本就较为低廉。相较使用聚四氟乙烯形成的空气电极性能可提高60％-80％，相较纤维布/纸的碳层涂布的阴极电极性能可提高2-3倍。此外，以纳米银涂布于泡沫镍集电网可同时作为集电网层及防水透气层，可取代原本在防水透气层中导电性不佳、内阻大且用量比例高的聚四氟乙烯防水材料，从而提高电池的导电性，且降低生产成本。

具体地，所述纳米银的粒径为15-35nm，优选25nm。所述石墨烯与所述催化层中的纳米银的质量比为1:8-10；所述石墨烯和所述催化层中的纳米银在所述催化层中的质量分数为5％-10％。

所述催化层包括催化剂，所述催化剂包括氧化银及二氧化锰；所述氧化银在所述催化层中的质量分数为3％-10％，所述二氧化锰在所述催化层中的质量分数为8％-15％。所述催化剂对金属空气电池电池中的氧化还原反应的进行具有显著促进作用，通过调整所述催化剂中氧化银与二氧化锰的含量，使所述氧化还原反应获得最佳催化效果。

具体参见图2，本发明第二实施例提供了一种水发电金属空气电池100，包括至少两组电堆单元，且相邻电堆单元之间层迭排列，所述电堆单元还包括透气绝缘层1、活性金属阳极2、电解质吸水层3及阴极空气电极4，所述透气绝缘层1、活性金属阳极2、电解质吸水层3及阴极空气电极4顺次层迭排列；水发电金属空气电池100还包括若干个金属连接片5；所述电堆单元从上至下依次排列，且相邻的两个电堆单元之间较上的电堆单元的阴极空气电极4与较下的电堆单元的活性金属阳极2通过金属连接片5连接。

本发明实施例提供的水发电金属空气电池100由若干个电堆单元层迭排列而成，相邻的电堆单元之间间隔了透气绝缘层1；多个电堆单元层迭时，使用金属连接片5连接不同电堆单元的正极和负极，使其形成串联回路，这不仅可以确保水发电金属空气电池100使用过程中的导电性能，而且省去了焊接的麻烦。多个电堆单元串联后的电池的电压增加，可用以配合不同电压需求的需电装置使用。

具体地，金属连接片5的两端分别嵌入所述较上的电堆单元的阴极空气电极4与较下的电堆单元的活性金属阳极2中。

参见图3及图4，金属连接片5为U形连接片，所述U形连接片包括用于固定所述金属阳极的铆钉51及用于固定所述阴极空气电极的钉爪52。活性金属阳极2通过铆钉51固定，铆钉51可穿过活性金属阳极片上的穿孔(图中未示出)并压铆之；阴极空气电极4通过钉爪52固定，钉爪52刺穿阴极空气电极后将突出的钉爪压平。

所述电堆单元通过紧束带8束紧，以确保各电堆单元紧密贴合，确保水发电金属空气电池100的导电性能及其化学反应所需的距离。

具体地，所述透气绝缘层为可透过空气的网格结构，所述透气绝缘层的材质为绝缘塑料。使用网格形状的透气绝缘层，可以增加空气的流通、提高较充足的氧气，让氧化反应效能提高。网格的塑料材质可以绝缘，以避免水份加多时可能造成不同电堆单元短路。

具体地，电解质吸水层3依照不同需要，预先浸泡电解液，然后烘干，在不加水时不会造成正负极间的反应，仅有在加水后溶解电解液材料后才会促使电池反应；适当条件下加清水(纯水亦可)。使用高分子吸水材质可以使水分的保持能力较佳，以延长单次加水时的使用时间。

本发明第三实施例提供了一种上述的阴极空气电极的制备方法，包括：

催化层制备步骤：在溶剂中加入活性碳、乙炔黑，再加入石墨烯及纳米银，进行搅拌，并在搅拌过程中加入催化剂，制得催化层；所述搅拌温度为40-60℃，搅拌时间为2-6小时；所述溶剂为乙醇或丙酮；

防水透气集电层制备步骤：将纳米银喷涂于泡沫镍的表面，恒温干燥，制得防水透气集电层；所述恒温干燥的温度为60℃-80℃；

阴极空气电极制备步骤：以平压加热方式将制得的催化层和防水透气集电层进行热压黏合；所述加热温度为80℃-120℃，加热时间为5-10分钟。

结合所述阴极空气电极所需要具备的性能，在实施本发明实施例提供的阴极空气电极的制备方法时调整所用物质及相关参数即可，使制备的阴极空气电极具备预设的性能。

具体地，在制备催化层时，也可以将所述石墨烯与纳米银以质量比1:8-10调混合，并经1-2小时的搅拌调和后添加入催化层中，石墨烯与纳米银混合浆料占催化层质量比为5％-10％。

本发明第四实施例提供了一种上述的水发电金属空气电池的制备方法，包括以下步骤：

准备透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层、阴极空气电极及平面金属片；所述平面金属片的一端为铆钉，另一端为带钉爪形状的钉爪；

将所述平面金属片的铆钉插穿活性金属阳极的固定圆孔并压合，将所述钉爪穿刺入阴极空气电极并压合；两端加工完成后，再对折中间夹入一片透气绝缘层并压紧(如图5所示)；

按照透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层及阴极空气电极依次排列，制得电堆单元及水发电金属空气电池；将所述水发电金属空气电池用紧束带束紧。

本发明实施例提供的水发电金属空气电池的制备方法，结合所述水发电金属空气电池所需要具备的性能，调整所用材料及相关参数，使制备的水发电金属空气电池具备预设的性能。本发明实施例制备的水发电金属空气电池，不仅导电性能佳，而且制备过程中省去了焊接的麻烦；多个电堆单元串联后的电池的电压也显着增加，因此可用以配合不同电压需求的需电装置使用。此外，所用材料的特性，通过优化所用具体原料及其具体用量，不仅降低了生产成本，而且降低了生产时间，提高了生产效率。

按照本发明第三和第四实施例提供的技术方案制备水发电金属空气电池a，并按照相同的技术方案、只是将其中的石墨烯阴极空气电极分别替换成常规的聚四氟乙烯阴极、纤维纸碳层阴极，分别获得金属空气电池b、c。对电池a，b，c进行性能测试，结果如图6所示。从图中可以看出，相较使用聚四氟乙烯或纤维纸碳层形成的空气电极制备的电池，本发明实施例制备的水发电金属空气电池的性能更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水发电金属空气电池的阴极空气电极，其特征在于，所述阴极空气电极包括催化层和防水透气集电层；所述催化层包括石墨烯和纳米银，所述防水透气集电层包括泡沫镍集电网和纳米银；其中，所述防水透气集电层中的纳米银依附在所述泡沫镍集电网的网孔中。

2.如权利要求1所述的阴极空气电极，其特征在于，所述纳米银的粒径为15-35nm。

3.如权利要求1所述的阴极空气电极，其特征在于，所述石墨烯与所述催化层中的纳米银的质量比为1:8-10；所述石墨烯和所述催化层中的纳米银在所述催化层中的质量分数为5％-10％。

4.如权利要求1所述的阴极空气电极，其特征在于，所述催化层还包括催化剂，所述催化剂包括氧化银及二氧化锰；所述氧化银在所述催化层中的质量分数为3％-10％，所述二氧化锰在所述催化层中的质量分数为8％-15％。

5.一种水发电金属空气电池，包括至少两组电堆单元，且相邻电堆单元之间层迭排列，其特征在于，所述电堆单元包括透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层及权利要求1至4任意一项所述的阴极空气电极，所述透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层及阴极空气电极顺次排列；所述水发电金属空气电池还包括若干个金属连接片；所述至少两组电堆单元从上至下依次排列，且在相邻的两个电堆单元之间中，较上的电堆单元的阴极空气电极与较下的电堆单元的活性金属阳极通过所述金属连接片连接。

6.如权利要求5所述的水发电金属空气电池，其特征在于，所述金属连接片的两端分别嵌入所述较上的电堆单元的阴极空气电极与较下的电堆单元的活性金属阳极中。

7.如权利要求5所述的水发电金属空气电池，其特征在于，所述金属连接片为U形连接片，所述U形连接片包括用于固定所述金属阳极的铆钉及用于固定所述阴极空气电极的钉爪。

8.如权利要求5所述的水发电金属空气电池，其特征在于，所述透气绝缘层为可透过空气的网格结构，所述透气绝缘层的材质为绝缘塑料。

9.一种如权利要求1至4任意一项所述的阴极空气电极的制备方法，其特征在于，包括：

催化层制备步骤：在溶剂中加入活性碳、乙炔黑，再加入石墨烯及纳米银，进行搅拌，并在搅拌过程中加入催化剂，制得催化层；所述搅拌温度为40-60℃，搅拌时间为2-6小时；所述溶剂为乙醇或丙酮；

防水透气集电层制备步骤：将纳米银喷涂于泡沫镍的表面，恒温干燥，制得防水透气集电层；所述恒温干燥的温度为60℃-80℃；

阴极空气电极制备步骤：以平压加热方式将制得的催化层和防水透气集电层进行热压黏合；所述加热温度为80℃-120℃，加热时间为5-10分钟。

10.一种如权利要求5至8任意一项所述的水发电金属空气电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层、阴极空气电极及平面金属片；所述平面金属片的一端为铆钉，另一端为带钉爪形状的钉爪；

将所述平面金属片的铆钉插穿活性金属阳极的固定圆孔并压合，将所述钉爪穿刺入阴极空气电极并压合；两端加工完成后，再对折中间夹入一片透气绝缘层并压紧；

按照透气绝缘层、活性金属阳极、电解质吸水层及阴极空气电极依次排列，制得电堆单元及水发电金属空气电池；将所述水发电金属空气电池用紧束带束紧。