CN107331871A - 碱性铝‑空气电池空气电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

碱性铝‑空气电池空气电极的制备方法，属于新能源技术领域，尤其是一种利用超声水热法，简单、低沉本制备活性炭负载MnO2催化剂，并将其制备成铝‑空气电池空气电极的碱性铝‑空气电池空气电极的制备方法。本发明的碱性铝‑空气电池空气电极的制备方法，其特征在于该制备方法利用超声水热法合成催化剂，将催化剂、乙炔黑和PTFE粘合剂超声分散压合成催化层，将活性炭、乙炔黑和PTFE粘合剂压合成防水透气层，泡沫镍为集流体，将制备好的催化层、防水透气层以及集流体顺序压合，即可得到空气电极。本发明具有工艺简便的优点，在制备过程中，能够有效保证催化剂的粒径小不容易团聚，有效增大了MnO2与活性炭的接触，以有效提高空气电极的性能。

Description

碱性铝-空气电池空气电极的制备方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其是一种利用超声水热法，简单、低沉本制备活性炭负载MnO2催化剂，并将其制备成铝-空气电池空气电极的碱性铝-空气电池空气电极的制备方法。
背景技术
随着科技水平的发展，人类对能源需求越来越大，石油、煤炭和天然气等传统能源再生周期长，远远不能跟上人类的发展脚步。而且，对化石能源的使用带了一系列危机，包括化石能源紧缺、过度开采带来的环境污染、使用过程中的大气污染和温室效应等。因此寻求新型能源成为了迫在眉睫的任务，而新能源应当是对环境污染小甚至无污染而且可再生周期短的。其中铝-空气电池具有能量密度高、价格低、操作简单等优点，是极具发展潜力的化学电源之一。空气电极是铝-空气电池中极其重要的一个组件，直接制约着铝-空气电池的性能，空气电极的主要作用是把空气中的氧气进行还原，这个还原过程需要在有催化剂参与的固-液气三项界面上，催化剂氧还原能力决定了铝-空气电池在一定放电电流密度下的放电电压。因此，制备低成本且工艺简单的催化剂具有十分重要的意义。
催化剂的种类有很多，包括贵金属、金属氧化物、金属螯合物、钙钛矿材料等，为了提高催化剂的性能，通常做法是减小催化剂颗粒粒径，将合成的粉末催化剂与活性炭、乙炔黑、粘合剂混和压膜，制备过程比较复杂，而且制备的催化剂由于纳米效应而发生团聚，造成催化性能的下降，为工业化生产带来很大不便。因此需要一种制备方法，既能保证催化剂的粒径小不容易团聚，还要减少空气电极工艺复杂性。
MnO2具有很高的催化活性，而活性炭具有很高的比表面积和很强的氧吸附能力，因此增大MnO2与活性炭的接触可以有效提高空气电极的性能。传统的方法是利用溶胶-凝胶法、微乳液法、化学沉淀法、水热法等制备纳米级别的MnO2，然后与活性炭、粘合剂混合均匀后压制成催化层，最后与集流体和防水透气层复合成空气电极。这些方法流程比较长、而且MnO2很难与活性炭混合均匀。而利用活性炭负载MnO2可以充分利用MnO2的高的氧还原能力和活性炭强的氧吸附能力。
发明内容
本发明所要解决的就是现有铝-空气电池的空气电极制备复杂，催化性能差的问题，提供一种利用超声水热法，简单、低沉本制备活性炭负载MnO2催化剂，并将其制备成铝-空气电池空气电极的碱性铝-空气电池空气电极的制备方法。
本发明的碱性铝-空气电池空气电极的制备方法，其特征在于该制备方法利用超声水热法合成催化剂，将催化剂、乙炔黑和PTFE粘合剂超声分散压合成催化层，将活性炭、乙炔黑和PTFE粘合剂压合成防水透气层，泡沫镍为集流体，将制备好的催化层、防水透气层以及集流体顺序压合，即可得到空气电极，具体制备步骤如下：
1）将高锰酸钾加入去离子水中，配置成1L高锰酸钾溶液；
2）将步骤1）得到的高锰酸钾溶液用保鲜膜封口，利用水浴方式进行加热至60℃，得到高锰酸钾热溶液；
3）在步骤2）得到的高锰酸钾热溶液中加入活性炭，在60℃水浴中，利用超声混合0.5h-2.5 h，超声频率为53 KHz，得到分散液；
4）取步骤3）中得到的分散液，过滤后得到粉末状物体，用去离子水超声清洗以及过滤三次，然后放入在干燥箱中在80℃进行干燥，得到干燥的MnO2/AC；
5）取15g步骤4）得到的MnO2/AC，并取3g乙炔黑以及60%PTFE分散液，一起放入酒精混合后搅拌12h；
6）将步骤5）得到的混合物，用水浴方式进行加热蒸发酒精，在加热过程中，不断搅拌直至得到团状物；
7）将步骤6）中的团状物辊压成膜状，厚度为1 mm，得到催化层；
8）将步骤7）制备的催化层，与防水透气层、集流体按照催化层、防水透气层、集流体的顺序进行压合得到初级空气电极，其中防水透气层为活性炭、乙炔黑、60%PTFE分散液混合后辊压成，厚度为1mm；
9）将步骤8）中得到的初级空气电极，在氩气环境中，放入350℃温度下煅烧24h，即可得到空气电极成品。
所述的步骤1）中，配置得到的高锰酸钾溶液浓度为20g/L。
所述的步骤3）中，加入的活性炭为15 g。
所述的步骤8）中，集流体为泡沫镍。
本发明的碱性铝-空气电池空气电极的制备方法，相对于传统制备方法，具有工艺简便的优点，在制备过程中，能够有效保证催化剂的粒径小不容易团聚，有效增大了MnO2与活性炭的接触，以有效提高空气电极的性能。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
图2为实施例1的TEM图。
图3为实施例1空气电极的放电曲线。
图4为实施例2的TEM图。
图5为实施例2空气电极的放电曲线。
具体实施方式
实施例1：一种碱性铝-空气电池空气电极的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1），将高锰酸钾加入去离子水配置成20g/L高锰酸钾溶液1 L；
步骤2），将步骤1）中配置的高锰酸钾溶液用保鲜膜封口水浴加热到60℃，得到高锰酸钾热溶液；
步骤3），将15 g活性炭加入到步骤2）中的高锰酸钾热溶液中，在60℃热水浴中超声0.5h，超声频率53 KHz，得到分散液；
步骤4），将步骤3）中得到的分散液，过滤后得到粉末状物体，用去离子水超声清洗以及过滤三次，在干燥箱中80℃干燥，得到干燥的MnO2/AC；
步骤5），将干燥的15gMnO2/AC15、3g乙炔黑以及13.33g60%PTFE分散液，放入100mL酒精中，混合后搅拌 12h；
步骤6），将步骤5）中的混和物水域加热蒸发酒精并不断搅拌直至样品为团状物；
步骤7），将步骤6）中的团状物辊压成膜即为催化层，厚度为1 mm；
步骤8），将步骤7）中所制备的催化层与防水透气层、泡沫镍按照催化层、防水透气层、集流体的顺序压合，得到初级空气电极，防水透气层为活性炭、乙炔黑、60%PTFE分散液混合后辊压成，厚度为1mm；
步骤9），将步骤8）中得到的初级空气电极，在氩气环境中，放入350℃温度下煅烧24h，即可得到空气电极成品。
将得到的催化剂与空气电极一同热处理后得到的TEM如图 2，可以看出MnO2的颗粒大小在10- 30nm之间。将制备的空气电极组装成空气电极全电池，在6M的NaOH溶液中在不同电流密度下进行放电测试，得出样品放电曲线如图3，在放电电流密度分别为10mA.cm-2、20 mA.cm-2、30 mA.cm-2、40 mA.cm-2、50 mA.cm-2下，放电电压达到了1.272 V、1.257 V、1.206 V、1.148 V、1.082 V。
实施例2：一种碱性铝-空气电池空气电极的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1），将高锰酸钾加入去离子水配置成20g/L高锰酸钾溶液1 L；
步骤2），将步骤1）中配置的高锰酸钾溶液用保鲜膜封口水浴加热到60℃，得到高锰酸钾热溶液；
步骤3），将15 g活性炭加入到步骤2）中的高锰酸钾热溶液中，在60℃热水浴中超声1h，超声频率53 KHz，得到分散液；
步骤4），将步骤3）中得到的分散液，过滤后得到粉末状物体，用去离子水超声清洗以及过滤三次，在干燥箱中80℃干燥，得到干燥的MnO2/AC；
步骤5），将干燥的15gMnO2/AC15、3g乙炔黑以及13.33g60%PTFE分散液，放入100mL酒精中，混合后搅拌 12h；
步骤6），将步骤5）中的混和物水域加热蒸发酒精并不断搅拌直至样品为团状物；
步骤7），将步骤6）中的团状物辊压成膜即为催化层，厚度为1 mm；
步骤8），将步骤7）中所制备的催化层与防水透气层、泡沫镍按照催化层、防水透气层、集流体的顺序压合，得到初级空气电极，防水透气层为活性炭、乙炔黑、60%PTFE分散液混合后辊压成，厚度为1mm；
步骤9），将步骤8）中得到的初级空气电极，在氩气环境中，放入350℃温度下煅烧24h，即可得到空气电极成品。
将的到的催化剂与空气电极一同热处理后得到的TEM如图 4，可以看出MnO2的颗粒大小在10- 30nm之间，相比于反应时间为0.5 h的样品，MnO2颗粒有略微的增多。将制备的空气电极组装成空气电极全电池，在6M的NaOH溶液中在不同电流密度下进行放电测试，得到样品的放点曲线如图 5，在放电电流密度分别为10 mA.cm-2、20 mA.cm-2、30 mA.cm-2、40 mA.cm-2、50 mA.cm-2下，放电电压达到了1.294 V、1.250 V、1.221 V、1.163 V、1.097 V。

Claims (4)

1.一种碱性铝-空气电池空气电极的制备方法，其特征在于该制备方法利用超声水热法合成催化剂，将催化剂、乙炔黑和PTFE粘合剂超声分散压合成催化层，将活性炭、乙炔黑和PTFE粘合剂压合成防水透气层，泡沫镍为集流体，将制备好的催化层、防水透气层以及集流体顺序压合，即可得到空气电极，具体制备步骤如下：
1）将高锰酸钾加入去离子水中，配置成1L高锰酸钾溶液；
2）将步骤1）得到的高锰酸钾溶液用保鲜膜封口，利用水浴方式进行加热至60℃，得到高锰酸钾热溶液；
3）在步骤2）得到的高锰酸钾热溶液中加入活性炭，在60℃水浴中，利用超声混合0.5h-2.5 h，超声频率为53 KHz，得到分散液；
4）取步骤3）中得到的分散液，过滤后得到粉末状物体，用去离子水超声清洗以及过滤三次，然后放入在干燥箱中在80℃进行干燥，得到干燥的MnO2/AC；
5）取15g步骤4）得到的MnO2/AC，并取3g乙炔黑以及60%PTFE分散液，一起放入酒精混合后搅拌12h；
6）将步骤5）得到的混合物，用水浴方式进行加热蒸发酒精，在加热过程中，不断搅拌直至得到团状物；
7）将步骤6）中的团状物辊压成膜状，厚度为1 mm，得到催化层；
8）将步骤7）制备的催化层，与防水透气层、集流体按照催化层、防水透气层、集流体的顺序进行压合得到初级空气电极，其中防水透气层为活性炭、乙炔黑、60%PTFE分散液混合后辊压成，厚度为1mm；
9）将步骤8）中得到的初级空气电极，在氩气环境中，放入350℃温度下煅烧24h，即可得到空气电极成品。
2.如权利要求1所述的碱性铝-空气电池空气电极的制备方法，其特征在于所述的步骤1）中，配置得到的高锰酸钾溶液浓度为20g/L。
3.如权利要求1所述的碱性铝-空气电池空气电极的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，加入的活性炭为15 g。
4.如权利要求1所述的碱性铝-空气电池空气电极的制备方法，其特征在于所述的步骤8）中，集流体为泡沫镍。
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