CN106941181B - 一种铝空气电池空气电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铝空气电池空气电极，包括多孔集流体、催化剂层及防水透气层，其特征点是，还包括高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜，该电极按如下顺序压制而成：高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜/多孔集流体/催化剂层/防水透气层，高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜/催化剂层/多孔集流体/防水透气层，或多孔集流体/高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜/催化剂层/防水透气层。本发明能够有效抑制铝电极放电产物对空气电极的不利影响，进而提高铝空气电池使用寿命；另一方面，还利于铝空气电池结构设计的简化以及成本的降低。

Description

一种铝空气电池空气电极
技术领域
本发明属于铝空气电池制备领域，具体涉及一种铝空气电池空气电极。
背景技术
铝空气电池是以空气中的氧气作为正极活性物质，以高纯铝或铝合金作为电池负极，以NaCl、KOH、NaOH等盐或碱作为电解液，其比能量理论上可高达8 718Wh/kg，远高于其它各种电池，具有非常广泛的应用范围。中性电解液体系铝空气电池，放电产物为氢氧化铝，其不溶于电解液，会导致空气电极及铝电极严重钝化，导致铝空气电池放电终止；碱性电解液体系铝空气电池，放电产物为偏铝酸钠，达到饱和浓度后，也会沉淀析出一定量的氢氧化铝，进而导致电解液电导率下降、空气电极毒化及铝电极钝化。为了解决该问题，例如提出了如下方案：通过设计电解液循环过滤系统，将放电产物聚沉，然后过滤掉。但在实际应用过程中，很多时候由于不能非常及时地把不溶性的胶体产物过滤掉，仍会导致放电产物在空气电极及铝电极表面的聚沉，造成电极性能衰减。专利文献1(CN103329342 A)提出将阴离子交换膜放在铝空气电池正负极之间，能够在一定程度上抑制放电产物向正极的迁移。但由于所用阴离子交换膜水通量特别小，只能在正负极两侧分别注入电解液，也因为此其所用离子交换膜不能和空气电极复合到一起，使电池结构变得更为复杂；另一方面其所使用阴离子交换膜成本非常高。
发明内容
针对上述问题，本发明目的在于提供一种的铝空气电池空气电极，其能够提高铝空气电池使用寿命。
本发明所采用的技术方案如下：一种铝空气电池空气电极，包括多孔集流体、催化剂层及防水透气层，其特征点是，还包括高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜，该电极按如下顺序压制而成：高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜/多孔集流体/催化剂层/防水透气层，高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜/催化剂层/多孔集流体/防水透气层，或多孔集流体/高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜/催化剂层/防水透气层。
本发明还具有如下技术特征：
1、如上所述的高分子聚合物多孔膜为聚酰胺类多孔膜、聚砜类多孔膜、聚烯烃类多孔膜、聚碳酸酯类多孔膜、聚酯类多孔膜或它们的衍生物多孔膜。
2、如上所述的高分子聚合物多孔膜的电解液吸收率大于30％。
3、如上所述的高分子聚合物多孔膜的孔径为0.01～50微米，厚度为50-500微米。
4、如上所述的改性高分子聚合物多孔膜为氧化石墨烯改性的高分子聚合物多孔膜，将氧化石墨烯浆料通过浸渍、喷涂或刮涂方法直接涂覆在其表面，然后自然干燥。
5、如上所述防水透气层为经N2、Ar或O2等离子体处理的聚四氟乙烯膜，与其它各层结合的一面经等离子体处理，另一面则不进行处理，其厚度为100～500微米。
本发明能够有效抑制放电产物在空气电极表面的累积，降低放电产物对空气电极的毒化作用，进而提高铝空气电池使用寿命；另一方面，还利于铝空气电池结构设计的简化以及成本的降低。
附图说明
图1为实施例1的铝空气电池放电曲线。
图2为实施例2所述铝空气电池放电曲线。
图3为实施例3所述铝空气电池放电曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
选择厚度为50微米的聚丙烯膜作为聚合物多孔膜，然后依次和镍网/催化剂层/防水透气层结合制备空气电极，记为1#。以铝合金作为负极，电解液采用4mol/L的氢氧化钠溶液，锡酸钠作添加剂，组装铝空气电池，100mA/cm2的电流密度下稳定测试60h后搁置12h，然后再进行放电，此时放电曲线如图1所示。从中可以看出未加聚丙烯膜的空气电极，其性能衰减很快。而加聚丙烯膜后的复合电极，其性能均能维持在一个较稳定的电位内，并没有发生衰减。
实施例2：
选择厚度为500微米的导电聚苯乙烯膜作为聚合物多孔膜，按照镍网/导电聚苯乙烯膜/催化剂层/防水透气层的结合顺序，制备空气电极(记为2#)。以铝合金作为铝空气电池负极，电解液采用4mol/L的氢氧化钠溶液，锡酸钠作添加剂，组装铝空气电池，50mA/cm2的电流密度下稳定测试100h后搁置12h，然后再放电，其放电曲线如图2所示。
实施例3：
选择厚度为100微米的聚芳醚多孔膜作为聚合物多孔膜，按照高分子聚合物多孔膜)/催化剂层/多孔集流体/防水透气层的顺序制备空气电极(记为3#)。采用铝合金作为阳极，电解液采用4mol/L的氢氧化钠溶液，组装铝空气电池，150mA/cm2的电流密度下稳定测试50h后搁置12h，然后再进行放电测试，结果如图3所示。
实施例4
配置5mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后利用喷枪将石墨烯喷涂300微米厚的聚丙烯膜表面，自然干燥，得到氧化石墨烯改性的多孔膜。接着按照聚丙烯膜/镍网/催化剂层/防水透气层的结合顺序制备空气电极，并组装铝空气电池进行测试。其在150mA/cm2的电流密度下稳定测试50h后搁置12h，然后再进行放电测试。结果发现该经氧化石墨烯改性的聚丙烯膜制备的复合结构空气电极，在80h后，其放电电压约为1.05V；而未经改性的电极，放电平台约0.658V。复合氧化石墨烯改性的聚丙烯膜的电极，性能得到进一步提升。所述的高分子聚合物多孔膜的电解液吸收率大于30％。所述的高分子聚合物多孔膜的孔径为0.01微米。
实施例5
配置3mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后利用喷枪将石墨烯喷涂在500微米厚的聚苯乙烯膜表面，自然干燥，得到氧化石墨烯改性的多孔膜。接着按照聚苯乙烯膜/镍网/催化剂层/防水透气层的结合顺序制备空气电极，并组装铝空气电池进行测试。其在120mA/cm2的电流密度下稳定测试70h后搁置24h，而后以同样的制度进行放电。结果表明，复合结构空气电极铝空气电池在继续放电70h后，其放电电压约1.1V，而常规铝空气电池放电电压已衰减至0.75V。所述的高分子聚合物多孔膜的电解液吸收率大于30％。所述的高分子聚合物多孔膜的孔径为50微米。
实施例6
选择厚度为200微米的聚砜多孔膜作为聚合物多孔膜，按照高分子聚合物多孔膜/催化剂层/多孔集流体/防水透气层的顺序制备空气电极，其中防水透气层为一面经Ar、N2或O2等离子体处理、另一面未经处理的厚度为200微米聚四氟乙烯膜。然后以铝合金阳极作为对电极组装铝空气电池，100mA/cm2的电流密度下稳定测试50h后搁置12h，然后再进行放电测试。30h后，复合结构空气电极铝空气电池放电电压约1.18V，而基于常规空气电极结构的铝空气电池放电电压已降至0.86V。

Claims (3)

1.一种铝空气电池空气电极，包括多孔集流体、催化剂层、防水透气层和高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜，其特征在于，该电极按如下顺序压制而成：高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜/镍网/催化剂层/防水透气层；所述的高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜的电解液吸收率大于30％；所述的高分子聚合物多孔膜或其改性多孔膜的孔径为0.01微米，厚度为50-500微米；所述防水透气层为经N2、Ar或O2等离子体处理的聚四氟乙烯膜，与其它各层结合的一面经等离子体处理，另一面则不进行处理，其厚度为100～500微米。
2.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极，其特征在于：所述的改性高分子聚合物多孔膜为氧化石墨烯改性聚苯乙烯膜。
3.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极，其特征在于：所述的高分子聚合物多孔膜为聚酰胺类多孔膜、聚砜类多孔膜、聚烯烃类多孔膜、聚酯类多孔膜或它们的衍生物多孔膜。
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