CN108878901A - 空气电极制备方法及铝空气电池 - Google Patents

空气电极制备方法及铝空气电池 Download PDF

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Abstract

空气电极制备方法及铝空气电池，涉及电池技术领域。将催化材料粉末、导电材料粉末、粘结剂粉末按质量比(10～40)：(40‑80)：(10‑30)混合，通过搅拌设备使其混合均匀，然后通过辊压设备直接压制成催化膜，再与集流体、防水膜直接压合制成空气电极。本发明制备工艺方法简单，可以实现空气电极的批量生产，通过提高电极中材料的均匀分布保证空气电极一致性。采用此方法制备的空气电极组装成铝空气电池，功率密度最大可以达到300mW/cm2，恒流放电测试(150mA/cm2)时，电池曲线稳定，负极铝的利用率可以达到89％，表现出良好的电性能。

Description

空气电极制备方法及铝空气电池
技术领域：
本发明涉及电池技术领域，具体地，涉及一种空气电极材料及制备方法。
背景技术：
金属空气电池以活性金属为负极，空气电极为正极，通过活性金属与氧气反应而放出电能的化学电源。金属空气电池比能量高、工作电压平稳、使用寿命长、安全可靠、原材料丰富并可再生利用、价格低廉等强大的竞争优势，具有广阔的市场应用前景。
目前大多数金属空气燃料电池的氧气析出反应和还原反应的动力学过程缓慢，核心因素是空气电极的性能，要求空气电极孔径、孔率、孔的分布均匀，空气电极厚度一致，透气性好，以及良好的氧催化能力。空气电极的性能决定金属空气电池输出特性，空气电极核心指标的一致性，制约着金属空气燃料电池的整体性能。
目前空气电极主要采用“湿法”制备，即将催化材料等混合成面团状通过对辊机轧制成薄膜。杨维谦(CN201110174416.1)将催化粉末与乙醇、聚四氟乳液混合搅拌成团状，然后在辊膜机上反复折叠碾压多次，得到所需厚度的催化膜。谢刚等(CN201410826638.0)将二氧化锰粉体、乙炔黑及PTFE乳液混合加热搅拌得团聚物，经反复碾压成薄片与镍网和防水膜复合碾压后经烘干、老化得到空气电极。这种制备工艺工序麻烦，需通过多次反复辊压，人工成本高，并且空气电极中孔率、孔的分布不均，不适宜批量生产。
王乾(CN201711280080.0)提出排水固结法制备空气电极，将碳材料和粘胶剂、水等混合得到膏体，放入模具内进行固结压实，经高温处理后得到空气电极，这种方法适合单片电极生产，生产效率较低。
张树雄等(CN201310237873.X)和王诚等(CN201210326618.8)采用喷涂的方法制备空气电极，将催化剂、导电剂及粘结剂等混合搅拌制成浆料，通过在集流体表面浸渍和喷涂的方法，然后烘干处理得到空气电极。电极生产工序复杂，需经过浸渍、喷涂及后续烘干处理工艺。
针对空气电极制备工艺复杂，电极一致性差，批量生产难度大等问题，本发明提出一种“干法”制备的方法，通过混合材料制备，一步法辊压制备空气电极，制备工艺简单，易于大规模批量生产。
发明内容：
本发明提供一种“干法”制备空气电极的方法，从材料配方优选，混合材料处理及一步法辊压制备工艺，可以实现空气电极的批量制备。本方法制备工艺简单可行，制备的空气电极孔径、孔率、孔的分布均匀，空气电极厚度一致，氧催化能力高，易于大规模批量生产。通过在铝空气电池上应用，表现出良好的性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种金属空气电池空气电极材料的制备方法，其特征在于：将催化材料粉末、导电材料粉末和粘结剂粉末等按一定比例混合，搅拌均匀后过筛处理，然后将混合粉末直接通过电极加工设备轧制成型；具体制备步骤包括如下：
(1)将催化材料粉末、导电材料粉末、粘结剂粉末按质量比(10～40)：(40-80)：(10-30)混合；
(2)将步骤(1)中所得混合粉末通过粉碎机处理1～5min，并通过100目～200目过筛处理；
(3)将步骤(2)中所得混合物放入混料机或真空搅拌机中，加入酒精润湿，搅拌2～6h，使其完全混合均匀，形成润湿混合粉末；
(4)将步骤(3)中润湿混合粉末通过振动平铺设备使其完全平铺进入对辊设备直接压制成催化膜；
(5)将上述步骤(4)所得催化膜再与集流体、防水膜直接压合制成空气电极。
上述所述的催化材料，优选是电解二氧化锰、二氧化锰粉末或二氧化锰纳米线。更优选的是二氧化锰纳米线。
上述所述的导电材料，优选乙炔黑、活性炭、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；进一步优选的导电材料包括乙炔黑和活性炭，更优选乙炔黑、活性炭和碳纳米管，重量比为35：25：5。
上述所述的粘结剂粉末优选聚四氟乙烯粉末。
上述所述的振动平铺设备优选的是三维振动铺粉机，混合粉料经过x-y向高频振动均匀平整的输送到对辊上碾压成催化膜，进口处加刮板保证均匀铺平，混合粉末通过辊压所得催化膜的厚度为(0.1～0.3)mm。
上述所述的集流体优选是铜网、镍网、不锈钢网、银网中的一种。更优选的为铜网，其厚度为0.3mm，孔隙为3mm*6mm的菱形孔。
上诉所述步骤(5)催化膜再与集流体、防水膜直接压合制成空气电极时，按照防水膜、集流体、催化膜的次序通过对辊机压合得到空气电极，其厚度控制在(0.5～1.2)mm。
上诉所述的防水膜为乙炔黑和聚四氟乙烯(PTFE)乳液按照质量比6:4混合后辊压好的膜，或者直接使用聚四氟乙烯(PTFE)膜。
一种铝空气电池，其特征在于，以上述所得的空气电极为正极、高纯铝(如纯度大于99％)或铝合金为负极、氢氧化钾(KOH)为电解液(如浓度为4mol/L)组装铝空气电池。
本发明中空气电极的制备方法，具有如下有益效果：：
1.通过干法混料和三相振动实现混合粉末均匀进入对辊，保证空气电极分布均匀、厚度一致好。
2.空气电极制备工艺简单，实现空气电极批量化生产，易于大规模推广。
3.制备的空气电极性能良好，组装铝空气电池功率可以达到300mW/cm2，恒流放电测试(150mA/cm2)电池曲线稳定，负极铝的利用率可以达到89％,表现出良好的市场应用价值。
同时，本发明原料价格低廉，制备工艺简单实用，绿色环保，适于大规模批量生产，可以实际应用在铝空气电池上。
附图说明
图1为空气电极制备工艺示意图
图2为对应实施例4制备的空气电极组装铝空气电池在不同电流条件下电压和功率曲线；
图3为对应实施例4制备的空气电极组装铝空气电池在150mA/cm2电流条件下恒流放电曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后，还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
按二氧化锰粉末、乙炔黑、活性炭、聚四氟乙烯粉末的质量比分别为20：35：30：15称取后在粉碎机里处理1min，过100目筛，然后将混合粉末加入真空搅拌机中，加入少量酒精，混合搅拌4h。将处理后的物料加入进料口，依次通过三向振动设备使其完全平铺进入对辊设备压制成催化膜，厚度0.2mm，然后与铜网、防水膜聚四氟乙烯(PTFE)膜压合成空气电极。采用制备好的空气电极、铝板、氢氧化钾电解液(浓度为4mol/L)组装成铝空气电池并进行电性能测试。
实施例2
按二氧化锰粉末、乙炔黑、活性炭、碳纳米管、聚四氟乙烯粉末的质量比分别为20：35：25：5：15称取后在粉碎机里处理1.5min，过100目筛，然后将混合粉末加入真空搅拌机中，加入少量酒精，混合搅拌3h。将处理后的物料加入进料口，依次通过三向振动设备使其完全平铺进入对辊设备压制成催化膜，厚度0.2mm，然后与铜网、防水膜聚四氟乙烯(PTFE)膜压合成空气电极。采用制备好的空气电极、铝板、氢氧化钾电解液(浓度为4mol/L)组装成铝空气电池并进行电性能测试。
实施例3
按二氧化锰纳米线、乙炔黑、活性炭、聚四氟乙烯粉末的质量比分别为20：40：25：15称取后在粉碎机里处理1min，过100目筛，然后将混合粉末加入真空搅拌机中，加入少量酒精，混合搅拌4h。将处理后的物料加入进料口，依次通过三向振动设备使其完全平铺进入对辊设备压制成催化膜，厚度0.2mm，然后与铜网、防水膜聚四氟乙烯(PTFE)膜压合成空气电极。采用制备好的空气电极、铝板、氢氧化钾电解液(浓度为4mol/L)组装成铝空气电池并进行电性能测试。
实施例4
按二氧化锰纳米线、乙炔黑、活性炭、碳纳米管、聚四氟乙烯粉末的质量比分别为20：35：25：5：15称取后在粉碎机里处理1min，过100目筛，然后将混合粉末加入真空搅拌机中，加入善良酒精，混合搅拌4h。将处理后的物料加入进料口，依次通过三向振动设备使其完全平铺进入对辊设备压制成催化膜，厚度0.2mm，然后与铜网、防水膜聚四氟乙烯(PTFE)膜压合成空气电极。采用制备好的空气电极、铝板、氢氧化钾电解液(浓度为4mol/L)组装成铝空气电池并进行电性能测试。
电性能测试结果如下表1所示，其中对比例为电解二氧化锰制备空气电极。
表1空气电极不同电流条件下的电压(V)
空气电极 0 10mA/cm2 50mA/cm2 100mA/cm2 150mA/cm2 200mA/cm2
对比例 1.98 1.58 1.35 1.17 1.04 0.91
实施例1 2.02 1.66 1.46 1.32 1.20 1.10
实施例2 2.02 1.69 1.47 1.32 1.21 1.11
实施例3 2.04 1.70 1.53 1.37 1.27 1.16
实施例4 2.04 1.72 1.54 1.39 1.28 1.18
以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案，并不能理解为对本发明的限制。此外，本文所列出的各种修改以及发明中方法、组合物的变化，在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述，但应当理解，本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上，各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种金属空气电池空气电极材料的制备方法，其特征在于：将催化材料粉末、导电材料粉末和粘结剂粉末等按一定比例混合，搅拌均匀后过筛处理，然后将混合粉末直接通过电极加工设备轧制成型；具体制备步骤包括如下：
(1)将催化材料粉末、导电材料粉末、粘结剂粉末按质量比(10～40)：(40-80)：(10-30)混合；
(2)将步骤(1)中所得混合粉末通过粉碎机处理1～5min，并通过100目～200目过筛处理；
(3)将步骤(2)中所得混合物放入混料机或真空搅拌机中，加入酒精润湿，搅拌2～6h，使其完全混合均匀，形成润湿混合粉末；
(4)将步骤(3)中润湿混合粉末通过振动平铺设备使其完全平铺进入对辊设备直接压制成催化膜；
(5)将上述步骤(4)所得催化膜再与集流体、防水膜直接压合制成空气电极。
2.按照权利要求1所述的一种金属空气电池空气电极材料的制备方法，其特征在于：上述所述的催化材料，为贵金属、金属氧化物、钙钛矿型、非金属催化剂等，优选的是电解二氧化锰、二氧化锰粉末或二氧化锰纳米线中的一种，更优选为二氧化锰纳米线。
3.按照权利要求1所述的一种金属空气电池空气电极材料的制备方法，其特征在于：上述所述的导电材料，优选乙炔黑、活性炭、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；进一步优选的导电材料包括乙炔黑和活性炭，更优选乙炔黑、活性炭和碳纳米管，重量比为35：25：5。
4.按照权利要求1所述的一种金属空气电池空气电极材料的制备方法，其特征在于：上述所述的粘结剂粉末优选聚四氟乙烯粉末。
5.按照权利要求1所述的一种金属空气电池空气电极材料的制备方法，其特征在于：催化膜的厚度为(0.1～0.3)mm。
6.按照权利要求1所述的一种金属空气电池空气电极材料的制备方法，其特征在于：上述所述的集流体优选是铜网、镍网、不锈钢网、银网中的一种；更优选的为铜网，其厚度为0.3mm，孔隙为3mm*6mm的菱形孔。
7.按照权利要求1所述的一种金属空气电池空气电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)催化膜再与集流体、防水膜直接压合制成空气电极时，按照防水膜、集流体、催化膜的次序通过对辊机压合得到空气电极，其厚度控制在(0.5～1.2)mm；
上诉所述的防水膜为乙炔黑和聚四氟乙烯(PTFE)乳液按照质量比6:4混合后辊压好的膜，或者直接使用聚四氟乙烯(PTFE)膜。
8.按照权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的金属空气电池空气电极材料。
9.一种铝空气电池，其特征在于，以按照权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的金属空气电池空气电极材料为正极、高纯铝或铝合金为负极、氢氧化钾(KOH)为电解液组装铝空气电池。
10.按照权利要求9所述的一种铝空气电池，其特征在于，氢氧化钾(KOH)浓度为4～8mol/L，优选为4mol/L。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111933954A (zh) * 2020-08-07 2020-11-13 中科院过程工程研究所南京绿色制造产业创新研究院 一种空气电极及其制备方法和空气电池
CN112687890A (zh) * 2020-12-29 2021-04-20 长沙迅洋新材料科技有限公司 一种镁基金属空气电池正极用锰系催化材料及其制备方法
WO2022141866A1 (zh) * 2020-12-29 2022-07-07 长沙迅洋新材料科技有限公司 一种镁金属空气电池正极催化剂及其连续涂覆制备方法
CN115028237A (zh) * 2021-03-05 2022-09-09 中国石油化工股份有限公司 一种用于电化学脱盐的电极材料及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101986449A (zh) * 2009-07-24 2011-03-16 刘伟春 干嵌式空气电极制造方法
WO2012021550A2 (en) * 2010-08-10 2012-02-16 Eos Energy Storage Llc Bifunctional (rechargeable) air electrodes
CN103346290A (zh) * 2013-06-27 2013-10-09 海博瑞恩电子科技无锡有限公司 一种高效电极制造方法
CN104505520A (zh) * 2014-12-06 2015-04-08 昆明冶金研究院 铝-空气电池用空气电极及其制备方法
CN107331871A (zh) * 2017-06-09 2017-11-07 云南大学 碱性铝‑空气电池空气电极的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101986449A (zh) * 2009-07-24 2011-03-16 刘伟春 干嵌式空气电极制造方法
WO2012021550A2 (en) * 2010-08-10 2012-02-16 Eos Energy Storage Llc Bifunctional (rechargeable) air electrodes
CN103346290A (zh) * 2013-06-27 2013-10-09 海博瑞恩电子科技无锡有限公司 一种高效电极制造方法
CN104505520A (zh) * 2014-12-06 2015-04-08 昆明冶金研究院 铝-空气电池用空气电极及其制备方法
CN107331871A (zh) * 2017-06-09 2017-11-07 云南大学 碱性铝‑空气电池空气电极的制备方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111933954A (zh) * 2020-08-07 2020-11-13 中科院过程工程研究所南京绿色制造产业创新研究院 一种空气电极及其制备方法和空气电池
CN112687890A (zh) * 2020-12-29 2021-04-20 长沙迅洋新材料科技有限公司 一种镁基金属空气电池正极用锰系催化材料及其制备方法
WO2022141866A1 (zh) * 2020-12-29 2022-07-07 长沙迅洋新材料科技有限公司 一种镁金属空气电池正极催化剂及其连续涂覆制备方法
CN115028237A (zh) * 2021-03-05 2022-09-09 中国石油化工股份有限公司 一种用于电化学脱盐的电极材料及其制备方法
CN115028237B (zh) * 2021-03-05 2024-06-07 中国石油化工股份有限公司 一种用于电化学脱盐的电极材料及其制备方法

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