CN106941180A - 一种混合电池体系正极 - Google Patents

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邱平达
高云智
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Abstract

本发明提供一种混合电池体系正极，包括互相连接的双层电极结构，一层为空气电极层，另一层为紧邻电解液的纳米氧化银电极层。所述的纳米氧化银电极层包括如下组分配方：氧化银百分数为60％‑90％、导电碳材料5％‑20％和聚四氟乙烯5％‑20％。本发明结构简单，原料利用率高，性能优异，通过有机结合Al‑AgO和铝空气电池的反应过程，构筑了一种基于混合电池原理的高比能化学电源体系，拓展了传统氧化银电极和空气电极的应用范围。不仅能提供额外的容量，而且能够阻止放电产物向空气电极扩散沉积。

Description

一种混合电池体系正极
技术领域
本发明属于化学电源制备技术领域，具体涉及一种混合电池体系正极。
背景技术
金属空气电池具有容量大、比能量高、工作电压平稳、使用安全、价格低廉、环境友好等优点，一直受到国内外研究单位和企业的关注。作为代表有铝空气电池、锌空气电池、镁空气电池、锂空气电池等体系。随着现代制造技术的发展，它的潜力逐渐表现出来，其应用而逐渐扩大，不仅继续在便携式通信机、医疗器件、江河航标灯、电子手表、计算器等传统领域中广泛应用，而目前正开发适用于移动电话、笔记本电脑等多种先进便携式电子产品的电源，以及用于发展电动车辆动力电源。
金属/空气电池正极主要以氧气作为活性物质，由催化剂层、集流体及防水透气层组成。由于负极金属可以机械更换，其寿命主要取决于空气正极。但在实际工作过程中，放电产物易向空气电极扩散，造成空气电极微观结构变化及活性位点的阻塞覆盖，导致空气电极过早失效。已报道的一些解决方法，比如在正负极间加一层离子交换膜，但此层膜作为非活性物质存在不利于电池能量密度的提高，而且必须设计正负极两个电解液室，使得电堆结构设计变得更加复杂。由于传统的金属/氧化银电池与金属/空气电池均可使用相同的碱性电解质体系，而金属/氧化银电池具备较高的功率密度。
发明内容
基于以上不足之处，本发明目的在于提出一种混合电池体系正极。本发明的正极不仅能提供额外的容量，而且能够阻止放电产物向空气电极扩散沉积。
本发明技术方案如下：一种混合电池体系正极，包括互相连接的双层电极结构，一层为空气电极层，其特征在于：另一层为紧邻电解液的纳米氧化银电极层。
本发明还具有如下技术特征：
1、所述的纳米氧化银电极层包括如下组分配方：氧化银百分数为60％-90％、导电碳材料5％-20％和聚四氟乙烯5％-20％。
2、所述的纳米氧化银电极层的制备方法如下：将氧化银、导电碳材料及聚四氟乙烯按配方在容器中均匀混合，加入异丙醇或乙醇，搅拌成均匀的膏状浆料，然后将上述浆料均匀地涂布在空气电极层内侧，涂层厚度为50-300微米，最后真空烘干，即得到混合体系正极。
3、所述的导电碳材料为乙炔黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管或以上所述几种任意组合。
4、所述的异丙醇或乙醇与原料质量比为1:20。
本发明结构简单，原料利用率高，性能优异，通过有机结合Al-AgO和铝空气电池的反应过程，构筑了一种基于混合电池原理的高比能化学电源体系，拓展了传统氧化银电极和空气电极的应用范围。不仅能提供额外的容量，而且能够阻止放电产物向空气电极扩散沉积。
附图说明
图1为1#复合电极和空气电极在100mA/cm2下的放电曲线图；
图2为1#复合电极及空气电极放电后电极断面SEM及mapping图，
其中，(a,b)混合电极(c,d)：空气电极；
图3为2#复合电极的放电曲线图；
图4为3#复合电极的放电曲线图；
图5为4#复合电极的放电曲线图；
图6为5#复合电极和空气电极的放电曲线图。
具体实施方式
下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：
实施例1
按照表1配置称取原料分散在异丙醇中，异丙醇与原料质量比为1:20，充分搅拌至浆料呈膏状，用涂布器将浆料均匀涂布在已有空气电极催化层一侧，控制涂层厚度为100μm，涂布后在真空干燥箱中干燥1h，得到复合电极1#。
将复合正极与铝板组装成电池体系，并与常规的铝空气电池比较，电解质溶液为6M NaOH，电流密度为100mAcm-2，其电压-时间曲线如图1。可以明显看出混合正极较铝空气电池拥有更高的放电平台。图2为电极断面Al元素面扫图，从中可以看出混合电极能够有效抑制放电产物向空气电极活性区域的渗透。
表1氧化银电极层各组分配比
科琴黑 乙炔黑 纳米氧化银 聚四氟乙烯
质量分数 13％ 2％ 60％ 10％
实施例2
按照表1配置称取原料分散在异丙醇中，异丙醇与原料质量比为1:20，充分搅拌至浆料呈膏状，用涂布器将浆料均匀涂布在已有空气电极催化层一侧，控制涂层厚度为200μm，涂布后在真空干燥箱中干燥1h，得到复合电极2#。
将复合正极与铝板组装成电池体系，电解质溶液为6M NaOH，电流密度为100mAcm-2，其电压-时间曲线如图3，较铝空气电池性能也有显著地提升。
表2氧化银电极层各组分配比
科琴黑 乙炔黑 纳米氧化银 聚四氟乙烯
质量分数 18％ 2％ 90％ 15％
实施例3
按照表3配置称取原料分散在异丙醇中，异丙醇与原料质量比为1:20，充分搅拌至浆料呈膏状，用涂布器将浆料均匀涂布在已有空气电极催化层一侧，控制涂层厚度为250μm，涂布后在真空干燥箱中干燥1h，得到复合电极3#。
将复合正极与铝板组装成电池体系，电解质溶液为6M NaOH，电流密度为100mAcm-2，其电压-时间曲线如图4。
表3氧化银电极层各组分配比
科琴黑 乙炔黑 纳米氧化银 聚四氟乙烯
质量分数 10％ 5％ 80％ 5％
实施例4
按照表4配置称取原料分散在异丙醇中，异丙醇与原料质量比为1:20，充分搅拌至浆料呈膏状，用涂布器将浆料均匀涂布在已有空气电极催化层一侧，控制涂层厚度为300μm，涂布后在真空干燥箱中干燥1h，得到复合电极4#。
将复合正极与铝板组装成电池体系，电解质溶液为6M NaOH，电流密度为100mAcm-2，其电压-时间曲线如图5，其放电性能较实施例2差些，可能因为粘结剂含量太高、氧化银电极层太厚导致的抑制了电解液的扩散，但相比于空气电极，其性能仍有显著提升。
表4氧化银电极层各组分配比
科琴黑 乙炔黑 纳米氧化银 聚四氟乙烯
质量分数 10％ 10％ 70％ 20％
实施例5
将石墨烯和碳纳米管按1:4的比例混合作为导电碳材料，然后按质量比纳米氧化银:导电碳材料:聚四氟乙烯＝85:10:5称取相应的材料，在适量的异丙醇中进行分散至浆料状。然后将所得浆料涂布在空气电极表面，控制涂层厚度为50微米。将所得电极在烘箱中充分干燥，即得所用复合电极5#。
将5#复合正极与铝板组装成电池体系，电解质溶液为6M NaOH，电流密度为50mAcm-2，其电压-时间曲线如图6。可以看出其放电性能较铝空气电池放电性能有明显的提升，放电平台提升约0.4V。进一步看出，进行长时间的寿命测试后，且其寿命较传统的空气电极大大提升，说明该氧化银电极层，能够有效阻止产物向空气电极内部扩散。
实施例6
将石墨烯和科琴黑按质量比1:4进行混合作为导电碳材料，然后按质量比纳米氧化银:导电碳材料:聚四氟乙烯＝80:10:10称取相应的材料，在适量的异丙醇中进行分散至浆料状。然后将所得浆料涂布在空气电极表面，控制涂层厚度为100微米。将所得电极在烘箱中充分干燥，即得复合电极6#。将6#复合正极与铝板组装成电池体系，电解质溶液为6MNaOH，在150mAcm-2的电流密度下，混合电极较传统的空气电极放电平台提升约0.3V，寿命延长约70h。说明了即使在较大的电流密度下，混合体系复合电极仍能表现出明显的优势。
实施例7
将石墨烯和科琴黑按质量比1:4进行混合作为导电碳材料，然后按质量比纳米氧化银:导电碳材料:聚四氟乙烯＝85:5:10称取相应的材料，在适量的乙醇中充分分散。然后将所得浆料涂布在空气电极表面，控制涂层厚度为60微米。将所得电极在烘箱中充分干燥，即得复合电极7#。将7#复合正极与铝板组装成电池体系，电解质溶液为6M NaOH，在120mAcm-2的电流密度下，混合电极较传统的空气电极放电平台提升约0.32V，寿命延长约90h。

Claims (5)

1.一种混合电池体系正极，包括互相连接的双层电极结构，一层为空气电极层，其特征在于：另一层为紧邻电解液的纳米氧化银电极层。
2.根据权利要求1所述的一种混合电池体系正极，其特征在于，所述的纳米氧化银电极层包括如下组分配方：氧化银百分数为60％-90％、导电碳材料5％-20％和聚四氟乙烯5％-20％。
3.根据权利要求2所述的一种混合电池体系正极，其特征在于，所述的纳米氧化银电极层的制备方法如下：将氧化银、导电碳材料及聚四氟乙烯按配方在容器中均匀混合，加入异丙醇或乙醇，搅拌成均匀的膏状浆料，然后将上述浆料均匀地涂布在空气电极层内侧，涂层厚度为50-300微米，最后真空烘干，即得到混合体系正极。
4.根据权利要求2所述的一种混合电池体系正极，其特征在于，所述的导电碳材料为乙炔黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管或以上所述几种任意组合。
5.根据权利要求2所述的一种混合电池体系正极，其特征在于，所述的异丙醇或乙醇与原料质量比为1:20。
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