CN107437645B - 一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，该方法是使用易挥发的分散剂替代造孔剂，将防水层与集流体和催化层在成型模具中一体成型。与现有技术相比，通过本发明所述方法制备的氧电极，在室温下以35ma/cm2的电流密度进行放电测试，可以工作6000小时以上，而不出现渗液；通过本发明所述方法制备的氧电极，其放电的电流密度可超过500mA/cm2。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属燃料电池氧电极，尤其是涉及一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法。
背景技术
金属燃料电池是一种利用金属与氧进行电化学反应后产生电能的装置，通常有镁空气燃料电池、铝空气燃料电池、锂空气燃料电池和锌空气燃料电池等。
这类燃料电池由金属电极、隔膜、电解液、氧电极和外壳组成，其中的氧电极是很重要的部件，它往往决定着燃料电池的性能和工作寿命，因此是金属燃料电池研发过重中重点研发的对象。
氧电极主要由1)防水层、2)催化层、3)集流体三部分组成。
目前，对于氧电极的制作，主要采用以下制作方法：
1.制作防水层材料，即将防水层物料与粘结剂、少量溶剂和造孔剂等均匀混合后，经过滚轴4滚压成片状待用，如图1所示；
2.制作催化层材料，即将催化剂与载体、粘结剂、少量溶剂和造孔剂等均匀混合后，也经过滚轴4滚压成片状待用，如图2所示；
3.将滚压好的防水层和催化层与集流体一起，以三明治的方式经过滚轴4滚压成型，如图3所示。
4.经过以上3.所得到的电极再进行热处理，即可制备好气电极。
这种方法所制备的氧电极，通常存在以下不足：
1.电极孔隙率低，氧气透过性低；
2.由于孔隙低，催化层的催化效果差，电池放电性能不高；
3.电极的孔径和气孔分布不均匀，也好进行控制；
4.孔径和气孔分布不均匀，易造成防水层防水性能不佳。
5.这种以三明治方式压合成的电极，容易造成防水层与催化层从集流体处分层开，降低电极的寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，该方法是使用易挥发的分散剂替代造孔剂，将防水层与集流体和催化层在成型模具中一体成型。
所述的方法具体包括以下步骤：
(1)将催化层物料分散到分散剂中，加入粘结剂，均匀搅拌分散；
(2)将防水层物料分散到分散剂中，加入粘结剂，均匀搅拌分散；
(3)在一底部有过滤孔的成型模具底部先铺上一张滤纸；
(4)将分散好的催化层物料倒入成型模具内，并均匀摊开，可让大部分的分散剂过滤掉；
(5)在沉积后的催化层上放上电极的集流体，并均匀竖直的植上短纤维；
(6)将分散好的防水层物料倒入成型模具内，并均匀摊开，并滤掉过多的分散剂；
(7)取出成型模具内的极片进行热处理，让分散剂完全挥发形成空气电极片。
所述的分散剂包括乙醇、丙醇或异丙醇；
步骤(1)所述的催化层物料与分散剂的比为10～150g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与分散剂的比为10～150g：1L。
优选地，步骤(1)所述的催化层物料与分散剂的比为20～30g：1L；
优选地，步骤(2)所述的防水层物料与分散剂的比为60～100g：1L。
所述的粘结剂包括PTFE、CMC、聚丙烯酸钠或PVDF；
步骤(1)所述的催化层物料与粘结剂的比为10～150g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与粘结剂的比为10～150g：1L。
优选地，步骤(1)所述的催化层物料与粘结剂的比为20～30g：1L；
优选地，步骤(2)所述的防水层物料与粘结剂的比为60～100g：1L。
步骤(3)所述的滤纸的孔径为30～50μm。
所述的短纤维包括塑料纤维、碳纤维、石棉纤维。
所述的热处理包括以下步骤：
(1)先在90～120℃热压机上烘干，烘干时间10～20分钟，压力为35～250kgf/cm2；
(2)烘干后，再到250～320℃的压机上处理，时间3～15分钟，压力15～50kgf/cm2。
所述的成型模具底部设有均匀的滤孔。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)用可挥发的分散剂替代造孔剂，由于分散剂是均匀与物料混合在一起，采用适当的烘干温度和压机压力，控制分散剂的挥发速度，就能在电极内部制造出孔隙的大小合适且分布均匀的孔隙，这将有利于催化层的催化反应，也有利于提高防水层的防水性能，从而提高氧电极的放电性能和工作寿命；
(2)防水层与催化层的结合不是通过滚压压合，而是在两层物料间植上短纤维后，再通过沉积方式结合，这样可以让防水层与催化层界面有少的交织，加上有短纤维将两层拉住，这将大大的加强两层物料的结合强度，防止电极内部的分层出现，提高了电极的寿命。
(3)通过本发明所述方法制备的氧电极，在室温下以35ma/cm2的电流密度进行放电测试，可以工作6000小时以上，而不出现渗液；
(4)通过本发明所述方法制备的氧电极，其放电的电流密度可超过500mA/cm2。
附图说明
图1为目前氧电极中防水层制作的示意图；
图2为目前氧电极中催化层制作的示意图；
图3为目前氧电极防水层与催化层结合制作示意图；
图4为本发明所述氧电极制作方法中成型模具铺上滤纸示意图；
图5为本发明所述氧电极制作方法中倒入催化层成型示意图；
图6为本发明所述氧电极制作方法中放上电极集流体示意图；
图7为本发明所述氧电极制作方法中植上短纤维示意图；
图8为本发明所述氧电极制作方法中倒入防水层成型示意图。
图中标号所示：防水层1、催化层2、集流体3、滚轴4、模底5、模框6、滤纸7、过滤孔8、短纤维9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，是使用易挥发的分散剂替代造孔剂，将防水层与集流体和催化层在成型模具中一体成型。电极物料是通过成型模具进行成型，而不是通过滚压机滚压成型。
具体包括以下步骤：
(1)将催化层2物料分散到分散剂中，加入粘结剂，均匀搅拌分散；催化层物料与分散剂的重量体积比为20g：1L；催化层物料与粘结剂的重量体积比为20g：1L；
(2)将防水层1物料分散到分散剂中，加入粘结剂，均匀搅拌分散；防水层物料与分散剂的重量体积比为60g：1L；防水层物料与粘结剂的重量体积比为60g：1L；
(3)在一底部有过滤孔8的成型模具的底部先铺上一张滤纸7；滤纸的孔径为30μm，如图4所示；
(4)将分散好的催化层物2料倒入成型模具内，并均匀摊开，可让大部分的分散剂过滤掉；如图5所示；
(5)在沉积后的催化层上放上电极的集流体3，如图6所示；并均匀竖直的植上短碳纤维6；如图7所示；
(6)将分散好的防水层1物料倒入成型模具内，并均匀摊开，并滤掉过多的分散剂；如图8所示；
(7)取出成型模具内的极片先在90℃热压机上烘干，烘干时间约20分钟，压力为35kgf/cm2；烘干后，再到250℃的压机上处理，时间15分钟，压力15kgf/cm2，让分散剂完全挥发形成空气电极片。
实施例2
所述的分散剂为乙醇，
步骤(1)所述的催化层物料与分散剂的比为10g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与分散剂的比为10g：1L。
所述的粘结剂为PTFE；
步骤(1)所述的催化层物料与粘结剂的比为10g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与粘结剂的比为10g：1L。
步骤(3)所述的滤纸的孔径为30μm。
所述的短纤维为塑料纤维。
所述的热处理包括以下步骤：
(1)先在90℃热压机上烘干，烘干时间约10分钟，压力为35kgf/cm2；
(2)烘干后，再到250℃的压机上处理，时间3分钟，压力15kgf/cm2。
其余同实施例1。
实施例3
所述的分散剂为丙醇，
步骤(1)所述的催化层物料与分散剂的比为150g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与分散剂的比为150g：1L。
所述的粘结剂为CMC；
步骤(1)所述的催化层物料与粘结剂的比为150g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与粘结剂的比为150g：1L。
步骤(3)所述的滤纸的孔径为50μm。
所述的短纤维为石棉纤维。
所述的热处理包括以下步骤：
(1)先在90℃热压机上烘干，烘干时间约20分钟，压力为35kgf/cm2；
(2)烘干后，再到250℃的压机上处理，时间15分钟，压力15kgf/cm2。
其余同实施例1。
实施例4
所述的分散剂为异丙醇，
步骤(1)所述的催化层物料与分散剂的比为30g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与分散剂的比为100g：1L。
所述的粘结剂为聚丙烯酸钠；
步骤(1)所述的催化层物料与粘结剂的比为30g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与粘结剂的比为100g：1L。
步骤(3)所述的滤纸的孔径为30μm。
所述的热处理包括以下步骤：
(1)先在100℃热压机上烘干，烘干时间约15分钟，压力为200kgf/cm2；
(2)烘干后，再到300℃的压机上处理，时间10分钟，压力30kgf/cm2。
其余同实施例1。
Claims (8)
1.一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，该方法是使用易挥发的分散剂替代造孔剂，将防水层与集流体和催化层在成型模具中一体成型；
所述的方法具体包括以下步骤：
(1)将催化层物料分散到分散剂中，加入粘结剂，均匀搅拌分散；
(2)将防水层物料分散到分散剂中，加入粘结剂，均匀搅拌分散；
(3)在一底部有过滤孔的成型模具底部先铺上一张滤纸；
(4)将分散好的催化层物料倒入成型模具内，并均匀摊开；
(5)在沉积后的催化层上放上电极的集流体，并均匀竖直的植上短纤维；
(6)将分散好的防水层物料倒入成型模具内，并均匀摊开；
(7)取出成型模具内的极片进行热处理，让分散剂完全挥发形成空气电极片。
2.根据权利要求1所述的一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，所述的分散剂包括乙醇、丙醇或异丙醇；
步骤(1)所述的催化层物料与分散剂的比为10～150g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与分散剂的比为10～150g：1L。
3.根据权利要求2所述的一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，步骤(1)所述的催化层物料与分散剂的比为20～30g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与分散剂的比为60～100g：1L。
4.根据权利要求1所述的一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，所述的粘结剂包括PTFE、CMC、聚丙烯酸钠或PVDF；
步骤(1)所述的催化层物料与粘结剂的比为10～150g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与粘结剂的比为10～150g：1L。
5.根据权利要求1所述的一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，步骤(1)所述的催化层物料与粘结剂的比为20～30g：1L；
步骤(2)所述的防水层物料与粘结剂的比为60～100g：1L。
6.根据权利要求1所述的一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，步骤(3)所述的滤纸的孔径为30～50μm。
7.根据权利要求1所述的一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，所述的短纤维包括塑料纤维、碳纤维、石棉纤维。
8.根据权利要求1所述的一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法，其特征在于，所述的热处理包括以下步骤：
(1)先在90～120℃热压机上烘干，烘干时间10～20分钟，压力为35～250kgf/cm2；
(2)烘干后，再到250～320℃的压机上处理，时间3～15分钟，压力15～50kgf/cm2。
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- 2017-07-17 CN CN201710581669.8A patent/CN107437645B/zh active Active
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