CN108054472A - 一种空气电极及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气电极及其制作方法，包括集流体，所述集流体的下端设有透气防护层，集流体的上端由下往上依次设有疏水层、反应层和催化层。本发明所述的空气电极，所形成的A面亲水性强，疏水性弱，液体可以通过介质中的孔隙通道渗入空气电极，呈指进形向B面渗透。随着渗透距离的增加，介质的疏水性逐渐增大，孔隙越来越小，导致渗流阻力增大，液体渗透速度越来越小，最终液体在A、B面中间的某个位置停止渗透，形成一个稳定的气液固三相界面。这层界面既能为正极反应提供大量的场所，又能阻止液体淹没电极，最终让空气电极达到高性能、长寿命的标准。

Description

一种空气电极及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种空气电极，具体涉及一种空气电极及其制作方法。

背景技术

空气电极是金属空气电池的正极，为氧气提供反应场所，同时维持气液固三相界面。现有的空气电极结构较为简单，通常只有单层结构，只是把一层膜和集流网复合在一起，或者将混合材料和集流网压合在一起。这样的简单结构会导致空气电极内阻大，氧气的透过率和吸附率不能保证，电极发挥不出应有的性能。更重要的是，空气电极中的气液固三相界面不稳定，平衡容易被打破，液体逐步渗透淹没固相区域，反应场所大大减小，最终导致液体渗透整个电极，电极报废。由此带来的一系列问题，导致金属空气电池无法长期稳定的工作，无法真正实现燃料更换模式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空气电极及其制作方法，能够维持三相界面平衡、保证电极的性能优异可靠。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种空气电极，包括集流体，所述集流体的下端设有透气防护层，集流体的上端由下往上依次设有疏水层、反应层和催化层。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述集流体为泡沫镍、不锈钢网、镍网、铜网、镀镍铜网或者镀锡铜网制成。

所述催化层由30～50wt%活性炭、30～40wt%催化剂、10～30wt%石墨和10～20wt%粘接剂组成。

所述反映层由30～50wt%活性炭、20～40wt%催化剂、10～30wt%石墨和20～30wt%粘接剂组成。

所述疏水层由10～30wt%活性炭、40～60wt%炭黑和30～50wt%粘接剂组成。

所述透气防护层由70～80wt%炭黑和20～30wt%粘接剂组成。

所述粘结剂采用固含量为30%～60%的聚四氟乙烯乳液或聚偏氟乙烯乳液。

所述催化剂为氧化锰、碳载银或碳载铂。

一种空气电极的制作方法，包括如下步骤：

（1）选取30～50wt%活性炭、30～40wt%催化剂及10～30wt%石墨混合后再与10～20wt%粘接剂混合制成催化层浆料；

（2）选取30～50wt%活性炭、20～40wt%催化剂、10～30wt%石墨混合后再与20～30wt%粘接剂混合制成反映层浆料备用；

（3）选取10～30wt%活性炭与40～60wt%炭黑混合后再加入30～50wt%粘接剂混合制成疏水层浆料备用；

（4）选取70～80wt%炭黑与20～30wt%粘接剂混合制成透气防护层浆料备用；

（5）将催化层浆料、反应层浆料、疏水层浆料依次喷涂在集流体的上表面，将透气防护层浆料喷涂在集流体的下表面制成空气电极，所述空气电极的厚度为0.8～1.2mm。

一种空气电极的制作方法，包括如下步骤：

（A1）选取30～50wt%活性炭、30～40wt%催化剂及10～30wt%石墨混合后再与10～20wt%粘接剂混合制成催化层浆料；

（A2）选取30～50wt%活性炭、20～40wt%催化剂、10～30wt%石墨混合后再与20～30wt%粘接剂混合制成反映层浆料备用；

（A3）选取10～30wt%活性炭与40～60wt%炭黑混合后再加入30～50wt%粘接剂混合制成疏水层浆料备用；

（A4）选取70～80wt%炭黑与20～30wt%粘接剂混合制成透气防护层浆料备用；

（A5）将催化层浆料、反应层浆料、疏水层浆料依次喷涂在集流体的上表面，将透气防护层浆料喷涂在集流体的下表面制成空气电极。

所述步骤的喷涂步骤为：

（A51）在集流网的表面喷涂浆料，每次喷涂的厚度为30～100nm，喷涂5～10层后采用热风风干；

（A52）采用辊压机以较小的压力将喷涂表面辊压至平整光滑，辊压的压力逐渐增大，并重复上述喷涂步骤。

由上述技术方案可知，本发明所述的空气电极及其制作方法，所形成的 A面亲水性强，疏水性弱，液体可以通过介质中的孔隙通道渗入空气电极，呈指进形向B面渗透。随着渗透距离的增加，介质的疏水性逐渐增大，孔隙越来越小，导致渗流阻力增大，液体渗透速度越来越小，最终液体在A、B面中间的某个位置停止渗透，形成一个稳定的气液固三相界面。这层界面既能为正极反应提供大量的场所，又能阻止液体淹没电极，最终让空气电极达到高性能、长寿命的标准。

本发明的空气电极，高性好、寿命较长，与现有的技术相比能够维持气液固三相界面平衡，为正极反应提供丰富、稳定的反应场所，并且自身具有一定的防护性，可以抵挡外界液体的侵蚀。电极在不使用的情况下，可以保存5～10年；在50mA/cm2的电流密度下放电测试，电极寿命超过1500小时，性能衰减小于10%，无渗液现象。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例的空气电极，包括集流体4，集流体4的下端设有透气防护层5，集流体4的上端由下往上依次设有疏水层3、反应层2和催化层1。

本实施例的，集流体4可以采用泡沫镍、不锈钢网、镍网、铜网、镀镍铜网或者镀锡铜网制成。

催化层1和反应层2均以活性炭、石墨或碳黑为基体，加入催化剂、粘结剂混合制成；疏水层3和透气防护层5均活性炭、石墨或碳黑和粘接剂混合制成，该粘接剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯，该催化剂为氧化锰或碳载银。

本实施例的，催化层1、反应层2、疏水层3和透气防护层5可分别先独自成型，再和集流体4通过辊压的方式压合在一起制成空气电极。

也可以把上述催化层1、反应层2、疏水层3和透气防护层5分别调制成浆料，用纳米喷涂的方法，把浆料喷到集流体4的表面，以形成相应的催化层1、反应层2、疏水层3和透气防护层5，每层喷涂的厚度为10nm～100nm，每喷涂一层，都采用瞬间高温烘干，然后辊压一遍，按上述顺序一直喷涂至总厚度达到0.2mm～0.5mm，以制成空气电极。

以下对本发明的空气电极的制作方法具体说明：

实施例一

（1）选取30g活性炭、30g二氧化锰、30g石墨混合后再与10g的聚四氟乙烯乳液（固含量为30%）混合辊压制成催化层1备用；

（2）选取30g活性炭、20g二氧化锰、30g石墨混合后再与20g聚四氟乙烯乳液（固含量为30%）混合辊压制成反映层2备用；

（3）选取10g活性炭与40g炭黑混合后再加入50g聚偏氟乙烯乳液（固含量为60%）混合辊压制成疏水层3备用；

（4）选取70g炭黑与30g聚偏氟乙烯乳液（固含量为60%）混合辊压制成透气防护层5备用；

（5）将催化层1、反应层2、疏水层3依次设于集流体4的上侧面，将透气防护层5设于集流体4的下表面，然后通过辊压方式压合一起制成空气电极。

实施例二

（1）选取50g活性炭、30g碳载铂及10g石墨混合后再与10g聚偏氟乙烯乳液（固含量为40%）混合辊压制成催化层1备用；

（2）选取50g活性炭、30g碳载铂、20g石墨混合后再与10g聚偏氟乙烯乳液（固含量为50%）混合辊压制成反映层2备用；

（3）选取10g活性炭与40g炭黑混合后再加入50g聚四氟乙烯乳液（固含量为60%）混合辊压制成疏水层3备用；

（4）选取70g炭黑与30g聚四氟乙烯乳液（固含量为40%）混合辊压制成透气防护层5备用；

（5）将催化层1、反应层2、疏水层3依次设于集流体4的上侧面，将透气防护层5设于集流体4的下表面，然后通过辊压方式压合一起制成空气电极。

实施例三

（1）选取20g活性炭、35g碳载铂、25g石墨混合后再与20g聚四氟乙烯乳液（固含量为30%）混合辊压制成催化层1备用；

（2）选取40g活性炭、20g碳载铂、20g石墨混合后再与20g聚四氟乙烯乳液（固含量为30%）混合辊压制成反映层2备用；

（3）选取20g活性炭与50g炭黑混合后再加入30g聚四氟乙烯乳液（固含量为40%）混合辊压制成疏水层3备用；

（4）选取75g炭黑与25g聚四氟乙烯乳液（固含量为35%）混合辊压制成透气防护层5备用；

（5）将催化层1、反应层2、疏水层3依次设于集流体4的上侧面，将透气防护层5设于集流体4的下表面，然后通过辊压方式压合一起制成空气电极。

实施例四

（1）选取20g活性炭、35g碳载铂、25g石墨混合后再与20g聚偏氟乙烯乳液（固含量为35%）混合制成催化层浆料；

（2）选取40g活性炭、20g碳载铂、20g石墨混合后再与20g聚偏氟乙烯乳液（固含量为40%）混合制成反映层浆料备用；

（3）选取20g活性炭与50g炭黑混合后再加入30g聚偏氟乙烯乳液（固含量为35%）混合制成疏水层浆料备用；

（4）选取75g炭黑与25g聚偏氟乙烯乳液（固含量为45%）混合制成透气防护层5浆料备用；

（5）将催化层浆料、反应层浆料、疏水层浆料依次喷涂在集流体4的上表面，将透气防护层浆料喷涂在集流体4的下表面制成空气电极。该步骤中，在集流体4的表面喷涂浆料时，每次喷涂的厚度为30nm，喷涂5层后采用热风风干；再采用辊压机以较小的压力将喷涂表面辊压至平整光滑，辊压的压力逐渐增大，并重复上述喷涂步骤，每种喷涂200层，最终形成厚度为0.8mm 的空气电极。

实施例五

（1）选取40g活性炭、35g碳载银、10g石墨混合后再与15g聚偏氟乙烯乳液（固含量为35%）混合制成催化层浆料；

（2）选取40g活性炭、20g碳载银、20g石墨混合后再与20g聚偏氟乙烯乳液（固含量为40%）混合制成反映层浆料备用；

（3）选取30g活性炭与40g炭黑混合后再加入30g聚偏氟乙烯乳液（固含量为40%）混合制成疏水层浆料备用；

（4）选取70g炭黑与30g聚偏氟乙烯乳液（固含量为50%）混合制成透气防护层5浆料备用；

（5）将催化层浆料、反应层浆料、疏水层浆料依次喷涂在集流体4的上表面，将透气防护层浆料喷涂在集流体4的下表面制成空气电极。该步骤中，在集流体4的表面喷涂浆料时，每次喷涂的厚度为100nm，喷涂10层后采用热风风干；再采用辊压机以较小的压力将喷涂表面辊压至平整光滑，辊压的压力逐渐增大，并重复上述喷涂步骤，每种喷涂300层，最终形成厚度为1.2mm 的空气电极。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种空气电极，其特征在于：包括集流体，所述集流体的下端设有透气防护层，集流体的上端由下往上依次设有疏水层、反应层和催化层。

2.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于：所述集流体为泡沫镍、不锈钢网、镍网、铜网、镀镍铜网或者镀锡铜网制成。

3.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于：所述催化层由30～50wt%活性炭、30～40wt%催化剂、10～30wt%石墨和10～20wt%粘接剂组成。

4.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于：所述反映层由30～50wt%活性炭、20～40wt%催化剂、10～30wt%石墨和20～30wt%粘接剂组成。

5.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于：所述疏水层由10～30wt%活性炭、40～60wt%炭黑和30～50wt%粘接剂组成。

6.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于：所述透气防护层由70～80wt%炭黑和20～30wt%粘接剂组成。

7.根据权利要求3～6任一项所述的空气电极，其特征在于：所述粘结剂为固含量为30%～60%的聚四氟乙烯乳液或聚偏氟乙烯乳液。

8.根据权利要求3或4所述的空气电极，其特征在于：所述催化剂为氧化锰、碳载银或碳载铂。

9.一种空气电极的制作方法，其特征在于,包括如下步骤：

（1）选取30～50wt%活性炭、30～40wt%催化剂及10～30wt%石墨混合后再与10～20wt%粘接剂混合辊压制成催化层备用；

（2）选取30～50wt%活性炭、20～40wt%催化剂、10～30wt%石墨混合后再与20～30wt%粘接剂混合辊压制成反映层备用；

（3）选取10～30wt%活性炭与40～60wt%炭黑混合后再加入30～50wt%粘接剂混合辊压制成疏水层备用；

（4）选取70～80wt%炭黑与20～30wt%粘接剂混合辊压制成透气防护层备用；

（5）将催化层、反应层、疏水层及透气防护层与集流体通过辊压方式压合一起制成空气电极。

10.一种空气电极的制作方法，其特征在于,包括如下步骤：

（A1）选取30～50wt%活性炭、30～40wt%催化剂及10～30wt%石墨混合后再与10～20wt%粘接剂混合制成催化层浆料；

（A2）选取30～50wt%活性炭、20～40wt%催化剂、10～30wt%石墨混合后再与20～30wt%粘接剂混合制成反映层浆料备用；

（A3）选取10～30wt%活性炭与40～60wt%炭黑混合后再加入30～50wt%粘接剂混合制成疏水层浆料备用；

（A4）选取70～80wt%炭黑与20～30wt%粘接剂混合制成透气防护层浆料备用；

（A5）将催化层浆料、反应层浆料、疏水层浆料依次喷涂在集流体的上表面，将透气防护层浆料喷涂在集流体的下表面制成空气电极。

11.根据权利要求10所述的空气电极的制作方法，其特征在于：所述步骤（A5）的喷涂步骤为：

（A51）在集流网的表面喷涂浆料，每次喷涂的厚度为30～100nm，喷涂5～10层后采用热风风干；

（A52）采用辊压机以较小的压力将喷涂表面辊压至平整光滑，辊压的压力逐渐增大，并重复上述喷涂步骤。