CN108183241A - 一种空气电极及其催化浆料制备方法 - Google Patents

一种空气电极及其催化浆料制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108183241A
CN108183241A CN201711471616.7A CN201711471616A CN108183241A CN 108183241 A CN108183241 A CN 108183241A CN 201711471616 A CN201711471616 A CN 201711471616A CN 108183241 A CN108183241 A CN 108183241A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
catalyst
air electrode
waterproof ventilative
catalysis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711471616.7A
Other languages
English (en)
Inventor
张树雄
张云帆
洪磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN201711471616.7A priority Critical patent/CN108183241A/zh
Publication of CN108183241A publication Critical patent/CN108183241A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

公开了一种空气电极，其在保证气体扩散电极性能良好的前提下，大幅降低了生产成本，将进一步推进金属空气电池在民用领域的发展。其包括：催化层、集流导电层、防水透气层，催化层由载体和催化剂构成，载体为活性炭、乙炔黑、VULCAN‑XC72或VULCAN‑XC72R，催化剂为电解二氧化锰MnO2；集流导电层为不锈钢编织网；防水透气层为PP纺粘无纺布和PE高分子透气膜复合而成。还公开这种空气电极的催化浆料制备方法。

Description

一种空气电极及其催化浆料制备方法
技术领域
本发明涉及新能源电池的技术领域，尤其涉及一种空气电极，以及制备这种空气电极的催化浆料的方法。
背景技术
金属空气电池是以空气中的氧为正极活性物质，以金属为负极活性物质，以导电溶液为电解液，在催化剂的催化作用下发生化学反应而产生电能的一种化学电源。
金属空气电池具有很多独特的优势，其燃料为金属材料，如铝、镁、锌，以及锂、钠等金属；因为燃料铝、镁、锌储量很丰富，金属空气电池资源可足量供应。正极活性物质是空气中的氧气，电池本身不用携带，电池所携带的能量大小由负极金属的量决定，使得该种电池的实际比能量能够达到350Wh/kg以上(目前锂离子电池为100Wh/kg)，有极大的性能优势。反应后的产物，可以利用风能、太阳能、水能等清洁能源或者电能富裕地区的电能重新电解氧化铝(或氢氧化镁)变为金属，然后再次安装到金属空气电池放电，驱动电动车。这样就可以实现集中大规模的生产，可以减少污染，减少排放，并且可以实现集中供电，分散使用，将成本较低的电能转移到电能成本高的地方使用，将电能从能源易于获得的地方转移到能源难以获得的地方使用。可以真正实现无污染零排放的全新汽车生活。过程中实现了无污染，零排放的绿色能源循环利用，金属空气电池在世界范围内日益引起重视。
金属空气电池具有容量大、比能量高、使用安全以及无环境污染等优点，一直有广阔的应用前景。气体扩散电极(即空气电极)不仅是金属空气电池的主要组成部分，更是制约其性能的关键因素。电极的活性直接决定了电池的放电电位和输出功率，因此制作出高活性的气体扩散电极是保障金属空气电池性能的关键步骤。然而，高性能的气体扩散电极的制作往往需要高昂的成本，因此制约了金属空气电池在民生领域的应用，例如应急照明、便携式备用电源和野外监测。现有气体扩散电极的发展主要集中在高性能、长寿命、放电性能稳定以及高放电电压和输出功率。这类气体扩散电极的制作往往需要使用昂贵的原材料作为基础，例如铂、银、镍、BP2000炭黑、聚四氟乙烯疏水透气膜等。这些原材料的使用对气体扩散电极的性能和寿命有着显著的效果，然而这也使得气体扩散电极的制作成本水涨船高。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种空气电极，其在保证气体扩散电极性能良好的前提下，大幅降低了生产成本，将进一步推进金属空气电池在民用领域的发展。
本发明的技术方案是：这种空气电极，其包括：催化层、集流导电层、防水透气层，
催化层由载体和催化剂构成，载体为活性炭、乙炔黑、VULCAN-XC72或VULCAN-XC72R(这两种均是导电碳黑的型号，是美国卡博特公司制造的)，催化剂为电解二氧化锰MnO2；
集流导电层为不锈钢编织网；
防水透气层为PP纺粘无纺布和PE高分子透气膜复合而成。
由于采用PP纺粘无纺布和PE高分子透气膜复合而成作为催化剂的支撑，工业化制备的二氧化锰作为催化剂，活性炭、乙炔黑、VULCAN-XC72或VULCAN-XC72R作为载体，不锈钢编织网作为集流导电层，所以在保证气体扩散电极性能良好的前提下，大幅降低了生产成本，将进一步推进金属空气电池在民用领域的发展。
还提供了一种空气电极的催化浆料制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)称取催化剂、聚四氟乙烯、水和粘合剂，其中催化剂重量百分比为30-50％，聚四氟乙烯重量百分比为5-30％，水重量百分比为10-30％，粘合剂重量百分比为30-50％；
(2)制作喷涂浆料时，将水与催化剂混合并搅拌均匀，然后依次加入聚四氟乙烯、粘合剂，并在10-100℃的恒温条件下经高速搅拌成浆料，最终得到催化浆料。
附图说明
图1是根据本发明的空气电极的一个优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明制作的空气电极主要包括三个部分：催化层、集流导电层和防水透气层。这一点和大多数其他方法所制作的空气电极基本一样。但是，本发明通过1)使用成本低廉的原材料和2)规模化产业化的制备手段，在对电极性能损失可控的前提下，大幅降低的空气电极的制作成本。
1)原材料的选择
催化层主要由载体和催化剂构成。为了制作出高性能的空气电极，常用的载体为BP2000炭黑，因为其具有高比表面积和导电性；常用的催化剂一般由为贵金属、稀有金属化合物的一种或者几种的混合物构成，因为这些催化剂有很高的氧化还原活性。这些材料的使用会大幅的提高空气电极的制作成本。
本发明所制备催化载体为活性炭、乙炔黑、VULCAN-XC72或VULCAN-XC72R(这两种均是导电碳黑的型号，是美国卡博特公司制造的)或其他导电碳黑。这些材料满足了作为催化载体所必须的高表面积和导电性。然而，它们的价格却只有BP2000碳黑的三分之一到六分之一。
本发明所用的催化剂为可以大量工业化制备的电解MnO2。这种可以大规模工业化制备的MnO2不仅性能良好，其成本相比较于铂、银等贵金属催化剂将大大降低，可以显著降低空气电极的制作成本。
集流导电层是另一个成本较高的部分，一般空气电极的材料为铜、镍等金属或合金所制的网或者泡沫形态，有些甚至需要在这些材料上镀银以提高集流导电性。
本发明选择使用了不锈钢编制网作为集流导电层。相对于铜网和泡沫镍等常用的集流体，成本下降了2/3。不锈钢编织网是可以大规模生产且形状大小可以定制的材料，非常适用于不同大小形状空气电极的制作。
防水透气层的常用材质为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)或者氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)等聚氟化物。这类材料的价格一般都很昂贵，因此在气体扩散电极的制作成本中占有的比重也很高。
本发明所使用的防水透气膜为PP纺粘无纺布和PE高分子透气膜复合而成。使用这种材料的一个最大的有点是该材料的可以制作成任意大小和形状，所制作的电极不受透气膜材料的约束。而且在价格方面，相比较聚氟化物薄膜，本发明所使用的的防水透气膜的成本约为其1/10左右。
如图1所示，这种空气电极，其包括：催化层、集流导电层、防水透气层，
催化层1由载体和催化剂构成，载体为活性炭、乙炔黑、VULCAN-XC72或VULCAN-XC72R(这两种均是导电碳黑的型号，是美国卡博特公司制造的)或其他导电碳黑，催化剂为电解二氧化锰MnO2；
集流导电层2为不锈钢编织网；
防水透气层3为PP纺粘无纺布和PE高分子透气膜复合而成。
由于采用PP纺粘无纺布和PE高分子透气膜复合而成作为催化剂的支撑，工业化制备的二氧化锰作为催化剂，活性炭、乙炔黑、VX-72或VULCAN-XC72R作为载体，不锈钢编织网作为集流导电层，所以在保证气体扩散电极性能良好的前提下，大幅降低了生产成本，将进一步推进金属空气电池在民用领域的发展。
优选地，所述集流导电层在防水透气层与催化层中间，所述催化层通过催化剂制成催化浆料喷涂或刮涂到过渡层上。
优选地，所述催化层的厚度为0.005-0.5mm，防水透气层的厚度为0.05-2mm。
还提供了一种空气电极的催化浆料制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)称取催化剂、聚四氟乙烯、水和粘合剂，其中催化剂重量百分比为30-50％，聚四氟乙烯重量百分比为5-30％，水重量百分比为10-30％，粘合剂重量百分比为30-50％；
(2)制作喷涂浆料时，将水与催化剂混合并搅拌均匀，然后依次加入聚四氟乙烯、粘合剂，并在10-100℃的恒温条件下经高速搅拌成浆料，最终得到催化浆料。
优选地，所述粘合剂是聚乙烯醇PVA或羧甲基纤维素CMC。
优选地，所述防水透气层的PE高分子透气膜的孔径为1-20μm，孔率为5-80％，厚度为0.05-2mm。
优选地，所述防水透气层的PE高分子透气膜的孔径为3-10μm，孔率为20-40％。
以下提供两个具体实施例：
实施例一：将尺寸一定、厚度为0.1-2mm的集流导电网与厚度为0.05-2mm防水透气膜的一侧用粘合剂粘接；然后在集流网一侧喷涂厚度为0.5-3mm的催化层浆料。当催化层浆料烘干后(80℃)，，在20-80℃热压制成气体扩散电极。
实施例二：将尺寸一定、厚度为0.05-2mm防水透气膜的一侧用刮涂厚度为0.5-3mm的过渡层浆料，并在经10-100℃烘干。将上述烘干的片体与厚度为0.1-2mm的集流导电网经热压(50-100℃)合成。最后将上述片体的过渡层一面喷涂厚度为0.005-0.5mm的催化浆料，经10-100℃烘干并在20-80℃热压制成气体扩散电极。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种空气电极，其包括：催化层、集流导电层、防水透气层，其特征在于：
催化层(1)由载体和催化剂构成，载体为活性炭、乙炔黑、VULCAN-XC72或VULCAN-XC72R，催化剂为电解二氧化锰MnO2；
集流导电层(2)为不锈钢编织网；
防水透气层(3)为PP纺粘无纺布和PE高分子透气膜复合而成。
2.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于：所述集流导电层在防水透气层与催化层中间，所述催化层通过把催化剂和载体制成催化浆料喷涂或刮涂到集流导电层上。
3.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于：所述催化层的厚度为0.005-0.5mm，防水透气层的厚度为0.05-2mm。
4.一种根据权利要求2所述的空气电极的催化浆料制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)称取催化剂、聚四氟乙烯、水和粘合剂，其中催化剂重量百分比为30-50％，聚四氟乙烯重量百分比为5-30％，水重量百分比为10-30％，粘合剂重量百分比为30-50％；
(2)制作催化浆料时，将水与催化剂混合并搅拌均匀，然后依次加入聚四氟乙烯、粘合剂，并在10-100℃的恒温条件下经高速搅拌成浆料，最终得到催化浆料。
5.根据权利要求4所述的空气电极的催化浆料制备方法，其特征在于：所述粘合剂是聚乙烯醇PVA或羧甲基纤维素CMC。
6.根据权利要求5所述的空气电极的催化浆料制备方法，其特征在于：所述防水透气层的PE高分子透气膜的孔径为1-20μm，孔率为5-80％，厚度为0.05-2mm。
7.根据权利要求6所述的空气电极的催化浆料制备方法，其特征在于：所述防水透气层的PE高分子透气膜的孔径为3-10μm，孔率为20-40％。
CN201711471616.7A 2017-12-29 2017-12-29 一种空气电极及其催化浆料制备方法 Pending CN108183241A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711471616.7A CN108183241A (zh) 2017-12-29 2017-12-29 一种空气电极及其催化浆料制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711471616.7A CN108183241A (zh) 2017-12-29 2017-12-29 一种空气电极及其催化浆料制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108183241A true CN108183241A (zh) 2018-06-19

Family

ID=62548907

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711471616.7A Pending CN108183241A (zh) 2017-12-29 2017-12-29 一种空气电极及其催化浆料制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108183241A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110676465A (zh) * 2018-07-03 2020-01-10 夏普株式会社 空气电极、金属空气电池以及空气电极的制造方法
CN111180748A (zh) * 2020-01-16 2020-05-19 广州鹏辉能源科技股份有限公司 空气电池空气电极及其制备方法、空气电池和电动装置
CN112340782A (zh) * 2020-11-06 2021-02-09 中国科学技术大学 一种碳载金属氧化物催化剂的制备方法
CN112687899A (zh) * 2020-12-29 2021-04-20 长沙迅洋新材料科技有限公司 一种镁合金空气电池的正极催化剂及其成型方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103579719A (zh) * 2012-07-31 2014-02-12 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种锂空气电池用电解液及其构成的锂空气电池
CN106935802A (zh) * 2017-05-18 2017-07-07 中国科学院长春应用化学研究所 一种金属‑氧气二次电池
CN107240703A (zh) * 2017-05-10 2017-10-10 新材料与产业技术北京研究院 含有石墨烯和/或碳纳米管的空气电极及其制备方法和金属空气电池

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103579719A (zh) * 2012-07-31 2014-02-12 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种锂空气电池用电解液及其构成的锂空气电池
CN107240703A (zh) * 2017-05-10 2017-10-10 新材料与产业技术北京研究院 含有石墨烯和/或碳纳米管的空气电极及其制备方法和金属空气电池
CN106935802A (zh) * 2017-05-18 2017-07-07 中国科学院长春应用化学研究所 一种金属‑氧气二次电池

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110676465A (zh) * 2018-07-03 2020-01-10 夏普株式会社 空气电极、金属空气电池以及空气电极的制造方法
CN111180748A (zh) * 2020-01-16 2020-05-19 广州鹏辉能源科技股份有限公司 空气电池空气电极及其制备方法、空气电池和电动装置
CN112340782A (zh) * 2020-11-06 2021-02-09 中国科学技术大学 一种碳载金属氧化物催化剂的制备方法
CN112340782B (zh) * 2020-11-06 2021-10-01 中国科学技术大学 一种碳载金属氧化物催化剂的制备方法
CN112687899A (zh) * 2020-12-29 2021-04-20 长沙迅洋新材料科技有限公司 一种镁合金空气电池的正极催化剂及其成型方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108183241A (zh) 一种空气电极及其催化浆料制备方法
CN101683613B (zh) 一种空气电极用催化剂及用其制作的空气电极及空气电极的制作方法
CN102005582B (zh) 一种直接醇类燃料电池膜电极集合体的结构及制备方法
CN104505520B (zh) 铝‑空气电池用空气电极及其制备方法
CN110380062A (zh) 基于zif-67和导电石墨烯的硫掺杂的双功能氧催化剂的制备方法
CN104701555B (zh) 一种基于石墨烯的锌空气电池空气电极及其制备方法
CN110970630B (zh) 一种CuO纳米片及其自上而下的制备方法与应用
CN106549162B (zh) 复合电极材料、其制备方法及其在全钒液流电池中的应用
CN111001428B (zh) 一种无金属碳基电催化剂及制备方法和应用
CN110474057A (zh) 一种基于木质纤维素类生物质碳的氧还原电催化剂的制备方法及应用
CN108539205A (zh) 铝空气电池用催化剂、空气电极及其制备方法
CN108346805A (zh) 一种气体扩散电极及其制备方法
KR20160131217A (ko) 금속 공기 전지용 양극 복합 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 금속 공기 전지용 양극, 및 이를 포함하는 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법
CN106960961B (zh) 一种锌空气液流电池用空气电极结构及其制备方法
CN104888769A (zh) 一种直接甲醇燃料电池用炭载钯银纳米复合催化剂的制备方法
CN115692746A (zh) 一步沉积制备orr和oer双功能催化剂的方法
CN103682376B (zh) 空气电极的制备方法、空气电极和包括空气电极的电池
CN108110260A (zh) 一种金属-有机框架修饰的燃料电池催化剂及制备方法
CN105140552A (zh) 一种醇/Fe(III)液流燃料电池及其制造方法
CN206673026U (zh) 多层复合氧催化电极
CN113725444B (zh) 一种钌/碳纳米管柔性正极材料及其制备方法和应用
CN103367768A (zh) 一种制备质子交换膜燃料电池双层催化层结构的方法
CN106910905A (zh) 一种炭载纳米钯复合电催化剂的制备方法
CN103326032B (zh) 用于制备质子交换膜燃料电池的铂梯度分布催化层结构的方法
CN104716331A (zh) 一种锌空气电池用空气阴极

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180619