CN109411768A - 空气电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空气电极的制备方法，包括：(1)在集流体两侧形成第一扩散层和第二扩散层；(2)将催化剂与高分子溶液配成纺丝液；(3)将所述纺丝液喷涂在所述第一扩散层上得到催化层；(4)将防水透气膜放置在所述第二扩散层上，辊压得到所述空气电极。本发明提供的空气电极的制备方法所制得的空气电极导电性强、透气性好且催化性能高，可减缓空气电池极化现象，提高电池的电化学性能。

Description

空气电极的制备方法
技术领域
本发明属于空气电池技术领域，具体涉及一种空气电极的制备方法。
背景技术
空气电极是一种气体扩散电极，其一面与电解质接触，一面与空气中的氧气接触，在催化剂表面形成一种三相稳定的状态。在电池放电过程中，空气电极作为阴极，氧气沿电极表面扩散进入电极内部，在催化剂的作用下发生还原反应。空气电极性能的优劣除与催化剂有关之外，还与空气电极的结构相关，要求空气电极具有高孔隙率、孔分布均匀、透气性好，同时具有良好防渗透能力。
目前，空气电极多存在极化现象，催化剂和氧气在阴极催化剂结构中不能形成良好的三相反应界面，而不利于反应产物的扩散和转移，导致反应产物的沉积而阻碍氧气在催化剂中的扩散，同时由于反应产物的导电性较差而增大了空气电池的电化学极化，进而过高的充电电压将分解电池体系中的有机电解液而致使空气电池不能正常工作。此外，空气电池的结构也会影响极化程度，高孔隙率、透气性较好的空气电池会提升催化剂的性能，从而提升电池的电化学性能，减缓空气电池极化的发生。
因此，亟需提供一种高孔隙率、透气性好且催化性能高的空气电极的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高孔隙率、透气性好且催化性能高的空气电极的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供一种空气电极的制备方法，包括：
(1)在集流体两侧形成第一扩散层和第二扩散层；
(2)将催化剂与高分子溶液配成纺丝液；
(3)将所述纺丝液喷涂在所述第一扩散层上得到催化层；
(4)将防水透气膜放置在所述第二扩散层上，辊压得到所述空气电极。
较佳地，步骤(1)中，将活性炭和聚四氟乙烯混合配置，渗透在所述集流体的两侧，得到所述第一扩散层和所述第二扩散层。采用活性炭与四氟乙烯可形成微孔层，其孔隙率高且孔分布均匀，透气性好，可改善水和气的传输，提高电池的电化学性能。在集流体上渗透形成第一扩散层和第二扩散层，第一扩散层、集流体和第二扩散层结合，不仅具有良好的憎水性和导电性，有利于电子的传输，且均匀的微孔结构给外部气体进入提供了良好的通道，延缓空气电极极化的发生，及提升电池的电化学性能。
较佳地，步骤(2)中，所述催化剂选自碳载铂、碳载银和碳载二氧化锰中的一种或多种。
较佳地，步骤(2)中，所述高分子溶液选自PVA或PVP。
较佳地，步骤(2)中，所述催化剂与所述高分子溶液的质量比为1:1～10。
较佳地，步骤(3)中，所述催化层的厚度为0.05～0.8mm。
较佳地，步骤(3)包括：
(31)将所述集流体、所述第一扩散层、所述第二扩散层固定于静电纺丝滚筒；
(32)将所述纺丝液喷射在所述第一扩散层上形成所述催化层。
较佳地，步骤(32)中，将所述纺丝液吸入到注射器中并固定在注射泵上，喷针接高压电源正极，所述集流体、所述第一扩散层与所述第二扩散层接高压电源负极。
较佳地，所述喷针与所述第一扩散层的间距为10～15cm，所述静电纺丝滚筒转速为80～200rpm，静电纺丝喷射电压为5～15kv，纺丝时间为20～80min。
较佳地，所述空气电极厚度为0.5～2.2mm。
与现有技术相比，本发明提供的空气电极的制备方法，采用静电纺丝法制得的催化层为纳米纤维薄膜催化层，其比表面积大，结构可控且催化剂颗粒均匀的分布在纳米纤维薄膜上，可提高催化剂的催化性能。另外，在集流体上形成第一扩散层和第二扩散层，不仅具有良好的导电性，也具有良好的憎水性和透气性，可减少气相氧的传输阻力，减少浓差极化的影响，同时也能形成更加完善的气、液、固三相界面，在此结构上形成催化层，可从导电性、透气性和催化性能方面综合提高空气电极的电化学性能。本发明提供的空气电极的制备方法所制得的空气电极导电性强、透气性好且催化性能高，可减缓空气电池极化现象，提高电池的电化学性能。
附图说明
图1为实施例1中制得的空气电极的结构示意图；
图2为对比例1中制得的空气电极的结构示意图；
图3为实施例1中静电纺丝法制备的纳米纤维薄膜催化层的SEM图；
图4为对比例2中普通喷涂工艺制备的催化层的SEM图；
图5为实施例1中制备的空气电极与对比例2普通喷涂工艺制备的空气电极性能比较图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术方案、构造特征、所实现的技术效果，以下结合具体实施方式并配合附图详予说明。
本发明提供一种空气电极的制备方法，包括：
(1)在集流体两侧形成第一扩散层和第二扩散层。其中，第一扩散层和第二扩散层是由活性炭和聚四氟乙烯混合配置，渗透在集流体的两侧制得的。集流体可选用铜网、镍网等蜂窝状结构的导电材料。
(2)将催化剂与高分子溶液配成纺丝液。其中，催化剂选自碳载铂、碳载银和碳载二氧化锰中的一种或多种，高分子溶液选自PVA或PVP，选用中粘度、含量为10％，平均分子量为110000～130000的高分子，且催化剂与高分子溶液的质量比为1:1～10。
(3)将纺丝液喷涂在第一扩散层上得到催化层。所得催化层的厚度为0.05～0.8mm。具体地，包括：(31)将集流体、第一扩散层、第二扩散层固定于静电纺丝滚筒；(32)将纺丝液喷射在第一扩散层上形成催化层。具体将纺丝液吸入到注射器中并固定在注射泵上，喷针接高压电源正极，集流体、第一扩散层与第二扩散层接高压电源负极。喷针与第一扩散层的间距为10～15cm，静电纺丝滚筒转速为80～200rpm，静电纺丝喷射电压为5～15kv，纺丝时间为20～80min。本发明采用静电纺丝法制得的催化层为纳米纤维薄膜催化层，比表面积为300～600m2·g-1，可提高催化剂的催化性能。
(4)将防水透气膜放置在第二扩散层上，辊压得到空气电极。
上述方法获得的空气电极的厚度为0.5～2.2mm。
下面将结合具体实施例对本发明的空气电极的制备方法进行详细说明。
实施例1
请参见图1，将活性炭和聚四氟乙烯混合配置，在集流体3的两侧渗透形成第一扩散层2和第二扩散层4。称取5g碳载二氧化锰和50gPVA溶液，混合后磁力搅拌4h，得到所需纺丝液。将纺丝液吸入到配有9#不锈钢针头的5mL玻璃注射器中，并将其固定在注射泵上。喷针接高压电源正极，集流体接电源负极。纺丝液的流量由注射泵控制，流量为0.5mL/h。当针头出现液滴时，打开高压电源，喷射电压设定为15kV，喷针与第一扩散层4之间的距离为15cm，调节滚筒转速为120rpm，纺丝40min后得到纳米纤维薄膜催化层5，所得纳米纤维薄膜的直径为10-1000nm，完成后从静电纺丝装置内取出后置于真空干燥箱中，在室温下真空干燥8h。随后，将防水透气膜1放在第二扩散层2上，置于对辊机下，辊压得到空气电极100。辊压后得到的空气电极100的厚度为0.7mm。
实施例2至7除表1中数据与实施例1不同外，其他均与实施例1相同。
实施例8中，除表1显示数据与实施例1不同外，喷射电压设定为5kV，喷针与第一扩散层之间的距离为10cm，调节滚筒转速为80rpm，纺丝时间为20min。
请参见图2，对比例1中，集流体3’一侧设有扩散层2’，将催化剂碳载铂与高分子溶液按质量比1:5混合，制得纺丝液，随后将纺丝液喷涂在扩散层2’上形成催化层1’，喷射电压设定为15kV，喷针与第一扩散层之间的距离为15cm，调节滚筒转速为120rpm，纺丝时间为40min，并将防水透气膜4’放置在集流体3’一侧，辊压得到空气电极100’。
对比例2的空气电极的结构与实施例1相同，
如图1所示，但是其采用普通喷涂工艺取代纺丝液喷涂而制备得到催化层。具体操作为：将碳载二氧化锰催化剂、50％聚四氟乙烯溶液、水按质量比1:1:10混合，用高粘度搅拌机以4000rad/min的转速搅拌30min，然后用自动喷涂机在第一扩散层喷涂催化剂浆料，喷涂机以Z字型在扩散层上往复喷涂，喷涂完成后放入80℃干燥箱中干燥10h，随后，将防水透气膜放在第二扩散层上，置于对辊机下，辊压得到空气电极。辊压后得到的空气电极的厚度为0.7mm。
表1实施例及对比例的空气电极制备方法参数
对上述实施例和对比例制得的空气电极进行测试，测试条件为：40℃恒温水浴，测试结果见表2。
表2实施例及对比例测试结果比较
从表2数据中可以看出，所有实施例的电化学性能都好于对比例。实施例2与对比例1相比，制得的空气电池结构中，实施例2中多一层扩散层其数据明显好于对比例1，说明本发明的空气电池结构可提高电极的电化学性能。实施例2、3、4催化剂的选择成分不同，放电性能碳载铂>碳载二氧化锰>碳载银，碳载铂催化剂催化性能最好；实施例4与实施例7仅是高分子溶液选择不同，PVA高分子溶液制成的空气电极放电性能较好。
实施例1中制得的催化层的SEM图如图3所示，与对比例2中获得催化层的SEM图(图4)相比，实施例1中的催化层比表面积更大。
请参见图5，将实施例1与对比例2中制得的空气电极进行电化学性能比较，其中，A为实施例1制备的空气电极性能曲线，B为对比例2制备的空气电极性能曲线。结果显示，相同放电电流密度下，实施例1中的空气电极放电电压更高，电极极化小，这主要是由于纳米纤维膜制备的空气电极比表面积大，孔隙率高，有利于离子扩散，浓差极化小，所以放电性能更好。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，均属于本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种空气电极的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在集流体两侧形成第一扩散层和第二扩散层；
(2)将催化剂与高分子溶液配成纺丝液；
(3)将所述纺丝液喷涂在所述第一扩散层上得到催化层；
(4)将防水透气膜放置在所述第二扩散层上，辊压得到所述空气电极。
2.如权利要求1所述的空气电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将活性炭和聚四氟乙烯混合配置，渗透在所述集流体的两侧，得到所述第一扩散层和所述第二扩散层。
3.如权利要求1所述的空气电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述催化剂选自碳载铂、碳载银和碳载二氧化锰中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的空气电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高分子溶液选自PVA或PVP。
5.如权利要求1所述的空气电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述催化剂与所述高分子溶液的质量比为1:1～10。
6.如权利要求1所述的空气电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述催化层的厚度为0.05～0.8mm。
7.如权利要求1所述的空气电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)包括：
(31)将所述集流体、所述第一扩散层、所述第二扩散层固定于静电纺丝滚筒；
(32)将所述纺丝液喷射在所述第一扩散层上形成所述催化层。
8.如权利要求7所述的空气电极的制备方法，其特征在于，步骤(32)中，将所述纺丝液吸入到注射器中并固定在注射泵上，喷针接高压电源正极，所述集流体、所述第一扩散层与所述第二扩散层接高压电源负极。
9.如权利要求8所述的空气电极的制备方法，其特征在于，所述喷针与所述第一扩散层的间距为10～15cm，所述静电纺丝滚筒转速为80～200rpm，静电纺丝喷射电压为5～15kv，纺丝时间为20～80min。
10.如权利要求1所述的空气电极的制备方法，其特征在于，所述空气电极厚度为0.5～2.2mm。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109841847A (zh) * 2019-03-11 2019-06-04 嘉兴学院 适用于金属空气电池的耐弯折柔性空气阴极的制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1681148A (zh) * 2004-04-06 2005-10-12 中国科学院大连化学物理研究所 一种双效空气电极及其制备方法
CN202067864U (zh) * 2011-05-05 2011-12-07 天津市诺奇新能源科技有限公司 锌空气电池的空气电极
CN102324527A (zh) * 2011-08-31 2012-01-18 上海尧豫实业有限公司 锌空电池的空气电极
CN103187598A (zh) * 2011-12-30 2013-07-03 财团法人金属工业研究发展中心 电能产生装置及其阴极
CN103413947A (zh) * 2013-08-27 2013-11-27 武汉理工大学 燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法
CN104716348A (zh) * 2013-12-15 2015-06-17 中国科学院大连化学物理研究所 一种纳米纤维网络结构电极及其制备方法和应用
CN105261767A (zh) * 2015-09-07 2016-01-20 武汉理工大学 纳米碳掺杂多孔纤维单电极、膜电极及制备方法
CN107039657A (zh) * 2017-04-21 2017-08-11 上海汉行科技有限公司 一种铝空气电池空气电极结构
CN108615895A (zh) * 2016-12-10 2018-10-02 中国科学院大连化学物理研究所 一种金属/空气电池用空气电极及制备和应用

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1681148A (zh) * 2004-04-06 2005-10-12 中国科学院大连化学物理研究所 一种双效空气电极及其制备方法
CN202067864U (zh) * 2011-05-05 2011-12-07 天津市诺奇新能源科技有限公司 锌空气电池的空气电极
CN102324527A (zh) * 2011-08-31 2012-01-18 上海尧豫实业有限公司 锌空电池的空气电极
CN103187598A (zh) * 2011-12-30 2013-07-03 财团法人金属工业研究发展中心 电能产生装置及其阴极
CN103413947A (zh) * 2013-08-27 2013-11-27 武汉理工大学 燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法
CN104716348A (zh) * 2013-12-15 2015-06-17 中国科学院大连化学物理研究所 一种纳米纤维网络结构电极及其制备方法和应用
CN105261767A (zh) * 2015-09-07 2016-01-20 武汉理工大学 纳米碳掺杂多孔纤维单电极、膜电极及制备方法
CN108615895A (zh) * 2016-12-10 2018-10-02 中国科学院大连化学物理研究所 一种金属/空气电池用空气电极及制备和应用
CN107039657A (zh) * 2017-04-21 2017-08-11 上海汉行科技有限公司 一种铝空气电池空气电极结构

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109841847A (zh) * 2019-03-11 2019-06-04 嘉兴学院 适用于金属空气电池的耐弯折柔性空气阴极的制备方法

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