CN109713318A - 一种柔性可弯曲的空气阴极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种柔性可弯曲的空气阴极及其制备方法，一种柔性可弯曲的空气阴极包括疏水层、催化层，所述催化层外面有保护层，疏水层、催化层、保护层按顺序叠压而成，本发明疏水层起疏导电流，导通氧气，增加柔韧性的效果，又在催化层外面增加保护层，起到保护催化层，达到延长使用寿命的目的。

Description

一种柔性可弯曲的空气阴极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属空气电池，尤其涉及一种柔性可弯曲的空气阴极及其制备方法。

背景技术

金属空气电池是一种电化学反应装置，由金属阳极，空气阴极，电解质溶液三部分组成。金属阳极通常使用电极电位较负的金属材料，如镁铝锌镉铁等，电解质溶液通常为碱液或中性盐水溶液。空气阴极则是电池的核心组成部分，使直接利用的空气中氧气作为氧化剂发生氧还原反应的地方。

现有空气阴极结构虽有所不同，但多为疏水层/集流层/催化层构成，疏水层在最外侧起到防水透气的作用，集流层在中间起到透气，疏导电流，固定支撑和集电流作用。催化层与电解液接触，氧气通过疏水层和集流层到达催化层发生氧还原反应。然而，由于催化层直接与电解质接触，时间久了，催化层消耗破损，致使空气阴极的寿命不太理想，造成使用时间过短，在组装电池后，电池寿命低，重新更换，增加了操作难度，也增加了使用成本。另外，由铜网、镍网、不锈钢网等常见集流层虽然起到了固定支撑作用，增加了硬度，然而也限制了阴极的自由度，这样的阴极，柔韧性不够，通常不易弯折，也造成了目前电池的组装设计单一化，多为方形结构。由于一些特殊环境需要时，电池需要设计成桶状，卷曲状等，这样，当电池在处于各种弯曲、扭曲甚至拉伸的情况下容易造成电解质泄露的问题。一种合理的空气阴极的制作方法，可以把空气阴极做成柔韧性更好，使空气阴极可以大幅度弯曲，有利于电池的设计组装，是急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术，本发明的目的在于提供一种柔性可弯曲的空气阴极以解决现有方法制备出的空气阴极抗腐蚀性差、寿命差，及阴极不易弯折自由度小的问题。

本发明还提供了一种柔性可弯曲的空气阴极的制备方法，该方法操作简单，易于产业化。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种柔性可弯曲的空气阴极，包括疏水层、催化层，所述催化层外面有保护层，疏水层、催化层、保护层按顺序叠压而成。

本发明所述疏水层为挥发性物质、导电材料、柔性材料、及疏水粘结剂压制而成。所述疏水层中，挥发性物质和柔性材料的添加量为15-30％。在疏水层中加入挥发油性物质，疏水层制备干燥过程中其容易挥发，能够实现对疏水层造孔，增加透气性。所述挥发性物质包括樟脑、薄荷、冰片等，优选挥发性物质为樟脑，该成分不仅能增加疏水层的透气性，还能够增强防水性。

所述柔性材料为芳纶纤维、碳纤维、石墨线、高水基纤维中一种或几种。本发明所选用的柔性材料具有堆砌疏松，有较多的缝隙孔洞能够协同挥发性物质提高疏水层的透气性，提高电子传导能力，同时具有一定的机械强度和较好的柔韧性。优选碳纤维。

本发明疏水层通过挥发性物质与柔性材料的配合使用，提高疏导电流、导通氧气的能力，同时在强度及柔韧性产生协同效果，优选所述疏水层中挥发性物质与柔性材料添加量比为(1-2)：(2-4)，进一步，优选挥发性物质与柔性材料添加量比为1：(2-4)。

本发明上述疏水层中导电材料添加量为5％-40％(优选5-10％)，所述导电材料为活性炭、介孔碳和导电炭黑，膨胀石墨中的一种或多种。优选活性炭，活性炭是一种多孔径的碳化物，除了碳以外还有O、H等元素与C原子结合，部分形成sp3杂化，自由电子数减少，活性降低。加之是多孔结构，增加了电子迁移距离，增强其导电性，除此之外还辅助增强透气性的作用。

本发明所述疏水层中疏水粘结剂添加量15-60％(优选30-60％)，所述疏水粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE一种或几种。优选，聚偏氟乙烯PVDF和聚四氟乙烯PTFE按重量比2:1配合使用。

本发明所述催化层为催化剂、石墨烯、导电材料及疏水粘结剂压制而成。在催化层中增加石墨烯，由于其较大的比表面积能够协同催化剂导电、导热及柔韧性，增强催化剂的活性。优选所述催化层中催化剂和石墨烯的添加量为41-65％(优选45-50％)。进一步优选，所述催化剂与石墨烯添加量比为(40-60)：(1-5),优选催化剂与石墨烯添加量比为(40-50):(3-5)。

上述催化层中导电材料添加量为5％-40％，(优选30-40％)所述导电材料为活性炭、介孔碳和导电炭黑，膨胀石墨中的一种或多种。优选，膨胀石墨。膨胀石墨为网状结构、疏松多孔、柔软、压缩回弹性，具有较好的导电性及耐腐蚀性，再提高催化剂的活性下，还延长催化层的寿命，能更好配合催化剂起导电作用。

上述所述催化层中疏水粘结剂添加量15-60％，(优选15-30％)。所述疏水粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE一种或几种。优选聚四氟乙烯PTFE。

本发明所述保护层为挥发性物质、乙炔黑、柔性材料、导电材料、及疏水粘结剂压制而成。在保护层中增加乙炔黑能够减少内阻，起到导电及机械强度增加的作用。所述发挥性物质、乙炔黑和柔性材料的添加量为25-50％，(优选40-50％)。更优选，所述挥发性物质、乙炔黑和柔性材料的重量比为(2-4)：(1-2)：(2-4)，最佳4:2:3。所述挥发性物质包括樟脑、薄荷、冰片等，优选挥发性物质为樟脑。在保护层中的挥发性物质作用与在疏水层中相同，起到透气性作用。

上述保护层中柔性材料为芳纶纤维、碳纤维、石墨线、高水基纤维中一种或几种，优选碳纤维。

上述保护层中导电材料添加量为5％-40％，(优选5-10％)所述导电材料为活性炭、介孔碳和导电炭黑，膨胀石墨中的一种或多种。优选较强导电性的导电炭黑。

上述保护层中疏水粘结剂添加量15-60％，(优选40-60％)所述疏水粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE一种或几种。优选聚偏氟乙烯PVDF。

本发明空气电池阴极中上述三层的导电材料、疏水粘结剂用量是经过大量试验筛选的。例如，金属氧化物的导电性不好，加入导电材料增大催化剂导电性，因为氧气从防水透气的疏水层扩散至催化层直至保护层与电解液接触面的气-液-固三相界面，氧气还原得到电子，导电性大，电子传输的快。粘结剂用量也是根据催化剂、导电材料等其他成分用量和材质而设定，当粘结剂含量过多时，粘结剂阻隔了催化剂和导电剂，其接触面积减少导致材料利用率降低，容量减少；当粘结剂含量过少，粘性不够，催化剂和导电材料之间的接触也不紧密，导致循环过程中容量衰减。

本发明还提供了一种柔性可弯曲的空气阴极的制备方法，包括如下步骤：

(1)疏水层制备：将挥发性物质和导电材料，研磨成粉，加入适量溶剂搅拌0.1-6h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱20-80℃，烘至0.1-2h，为半干状态；

(2)催化层制备：将催化剂、石墨烯和导电材料混合加入适量溶剂搅拌0.1-6h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱20-80℃，烘至0.1-2h，为半干状态；

(3)保护层制备：将挥发性物质、乙炔黑和导电材料，研磨成粉，加入适量溶剂搅拌0.1-6h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片；放入烘箱20-80℃，烘至0.1-2h，为半干状态；

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，1-5MPa在热压温度200-400℃压合在一起，然后在马弗炉中400-600℃煅烧1-10h，即可。

进一步优选，本发明一种柔性可弯曲的空气阴极的制备方法，包括如下步骤：

(1)疏水层制备：将挥发性物质和导电材料，研磨成粉，加入适量溶剂搅拌1-3h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱50-70℃，烘至0.4-1h，为半干状态；

(2)催化层制备：将催化剂、石墨烯和导电材料混合加入适量溶剂搅拌0.1-3h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱50-70℃，烘至0.4-1h，为半干状态；

(3)保护层制备：将挥发性物质、乙炔黑和导电材料，研磨成粉，加入适量溶剂搅拌1-3h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片；放入烘箱50-70℃，烘至0.4-1h，为半干状态；

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，1-3MPa在热压温度200-400℃压合在一起，然后在马弗炉中400-600℃煅烧1-3h即可。

本发明步骤(1)-(3)中所述的溶剂包括但不限于松油醇、乙醇、异丙醇、正丁醇和正己醇中的一种。优选乙醇，本发明选择乙醇作为溶剂，在制造过程中不会高温产生废气，对环境友好和对人体无害。

更进一步优选，一种柔性可弯曲的空气阴极的制备方法，包括如下步骤：

(1)疏水层制备：将樟脑和活性炭，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入聚偏氟乙烯PVDF和聚四氟乙烯PTFE，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片；放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态；

(2)催化层制备：将催化剂、石墨烯和膨胀石墨混合加入适量酒精搅1h分散，分散均匀后加入聚四氟乙烯PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片；放入烘箱60℃，烘至1h，为半干状态；

(3)保护层制备：将樟脑、乙炔黑和超导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入聚偏氟乙烯PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片；放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态；

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度300℃压合在一起，然后在马弗炉中500℃煅烧2h。

有益效果

1、本发明的空气电池阴极通过特别制备的疏水层和保护层，使空气阴极变得有很好的弯曲度及使用寿命。通过制作柔韧性较强的疏水层起疏导电流，导通氧气，增加柔韧性的效果，又在催化层外面增加保护层，避免催化层直接与电解质接触，减少催化层消耗破损，起到保护催化层，达到延长使用寿命的目的。

2、本发明疏水层中加入挥发性物质如樟脑，在干燥过成中容易挥发，能够实现对疏水层造孔，增加透气性。加入堆砌疏松，有较多的缝隙孔洞的柔性材料能够协同樟脑提高疏水层的透气性，提高电子传导能力，同时具有一定的机械强度和较好的柔韧性。在催化层中增加石墨烯，由于其较大的比表面积能够协同催化剂导电、导热及柔韧性，增强催化剂的活性。在保护层中增加乙炔黑能够减少内阻，起到导电及机械强度增加的作用。三层相互配合，协同增强了导电性、透气性、强度及柔韧性。

3、本发明的空气阴极做成柔韧性更好，使空气阴极可以大幅度弯曲，有利于电池的设计组装。比如，可以将电池结构组装成柔性正极、电解质膜和负极叠加组成的三明治结构。也可以采用线状的金属电极，在表面依次包裹电解质层和空气电极层组成管状结构。此外，还有一些新的结构，例如可以折叠的电池结构和书简状的柔性电池结构。

4、本发明的空气电池阴极也解放了金属阳极的制作，例如，可以将金属粉末和粘结剂、导电碳粉组合形成复合电极，提高了电极的柔性和稳定性；可以将金属电极制成弹簧状，或者将多片小块的金属联合成一个完整电极等。

5、本发明的空气阴极的制备无需使用集流层，是因为本发明的集流效果和柔韧支撑都做到了疏水，催化和保护层中了，无需要铜网、镍网、不锈钢网等常见集流层中固定支撑成分，使阴极更加柔软，自由度增强，开阔了空气电池组装的多元化。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

实施例1

(1)疏水层制备：取10g樟脑、10g活性炭、20g碳纤维、40g聚偏氟乙烯PVDF、20g聚四氟乙烯PTFE，备用；将樟脑和活性炭，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF和PTFE，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态。

(2)催化层制备：取40g催化剂、5g石墨烯、40g膨胀石墨、15g聚四氟乙烯备，备用；将催化剂、石墨烯和膨胀石墨混合加入适量酒精搅1h分散，分散均匀后加入PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至1h，为半干状态。

(3)保护层制备：取20g樟脑、5g导电炭黑、10g乙炔黑、15g碳纤维、50g聚偏氟乙烯PVDF，备用；将樟脑、乙炔黑和超导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态。

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度300℃压合在一起，然后在马弗炉中500℃煅烧2h，即可。

实施例2

(1)疏水层制备：取10g龙脑、10g活性炭、20g碳纤维、40g聚偏氟乙烯PVDF、20g聚四氟乙烯PTFE，备用，将龙脑和活性炭，研磨成粉，加入适量酒精搅拌3h分散，分散均匀后加入PVDF和PTFE，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱70℃，烘至0.4h，为半干状态。

(2)催化层制备：取40g催化剂、5g石墨烯、40g膨胀石墨、15g聚四氟乙烯，备用；将催化剂、石墨烯和膨胀石墨混合加入适量酒精搅3h分散，分散均匀后加入PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱70℃，烘至0.4h，为半干状态。

(3)保护层制备：取20g龙脑、5g导电炭黑、10g乙炔黑、15g碳纤维、50g聚偏氟乙烯PVDF备用；将龙脑、乙炔黑和导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌3h分散，分散均匀后加入PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱70℃，烘至0.4h，为半干状态。

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度400℃压合在一起，然后在马弗炉中400℃煅烧3h，即可。

实施例3

(1)疏水层制备：取10g樟脑、10g活性炭、20g石墨线、40g聚偏氟乙烯PVDF、20g聚四氟乙烯PTFE，备用，将樟脑和活性炭，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF和PTFE，加入少量水，搅拌粘稠状加入石墨线、，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱40℃，烘至1h，为半干状态。

(2)催化层制备：取40g催化剂、5g石墨烯、40g膨胀石墨、15g聚四氟乙烯备用；将催化剂、石墨烯和膨胀石墨混合加入适量酒精搅3h分散，分散均匀后加入PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱70℃，烘至0.4h，为半干状态。

(3)保护层制备：取20g樟脑、5g导电炭黑、10g乙炔黑、15g石墨线、50g聚偏氟乙烯PVDF备用；将樟脑、乙炔黑和导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入石墨线，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱50℃，烘至0.5h，为半干状态。

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度500℃压合在一起，然后在马弗炉中600℃煅烧2h，即可。

实施例4

(1)疏水层制备：取10g樟脑、10g活性炭、20g碳纤维、40g聚偏氟乙烯PVDF、20g聚四氟乙烯PTFE，备用，将樟脑和活性炭，研磨成粉，加入适量酒精搅拌6h分散，分散均匀后加入PVDF和PTFE，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱80℃，烘至0.1h，为半干状态。

(2)催化层制备：取40g催化剂、5g石墨烯、40g膨胀石墨、15g聚四氟乙烯备用；将催化剂、石墨烯和膨胀石墨混合加入适量酒精搅6h分散，分散均匀后加入PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱80℃，烘至0.1h，为半干状态。

(3)保护层制备：取20g樟脑、5g超导电炭黑、10g乙炔黑、15g碳纤维、50g聚偏氟乙烯PVDF备用；将樟脑、乙炔黑和超导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌6h分散，分散均匀后加入PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱80℃，烘至0.1h，为半干状态。

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度300℃压合在一起，然后在马弗炉中500℃煅烧2h，即可。

实施例5

(1)疏水层制备：取5g樟脑、40g活性炭、15g碳纤维、40g聚偏氟乙烯PVDF，备用，将樟脑和活性炭，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态。

(2)催化层制备：取50g催化剂、3g石墨烯、27g膨胀石墨、20g聚四氟乙烯PTFE备用；将催化剂、石墨烯和膨胀石墨混合加入适量酒精搅1h分散，分散均匀后加入PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至1h，为半干状态。

(3)保护层制备：取15g樟脑、5g导电炭黑、10g乙炔黑、20g碳纤维、50g聚偏氟乙烯PVDF备用；将樟脑、乙炔黑和导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态。

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度300℃压合在一起，然后在马弗炉中500℃煅烧2h，即可。

实施例6

(1)疏水层制备：取10g樟脑、20g活性炭、20g碳纤维、50g聚四氟乙烯PTFE，备用，将樟脑和活性炭，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PTFE，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态。

(2)催化层制备：取45g催化剂、5g石墨烯、30g膨胀石墨、20g聚四氟乙烯备用；将催化剂、石墨烯和膨胀石墨混合加入适量酒精搅1h分散，分散均匀后加入PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至1h，为半干状态。

(3)保护层制备：取20g樟脑、5g导电炭黑、10g乙炔黑、10g碳纤维、55g聚偏氟乙烯PVDF备用；将樟脑、乙炔黑和超导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态。

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度300℃压合在一起，然后在马弗炉中500℃煅烧2h，即可。

实施例7

(1)疏水层制备：取10g冰片、10g膨胀石墨、20g芳纶纤维、40g聚偏氟乙烯PVDF、20g聚四氟乙烯PTFE，备用；将冰片和膨胀石墨，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF和PTFE，加入少量水，搅拌粘稠状加入芳纶纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态。

(2)催化层制备：取40g催化剂、5g石墨烯、40g活性炭、15g聚四氟乙烯备，用；将催化剂、石墨烯和活性炭混合加入适量酒精搅1h分散，分散均匀后加入PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至1h，为半干状态。

(3)保护层制备：取20g樟脑、5g导电炭黑、10g乙炔黑、15g芳纶纤维、50g聚偏氟乙烯PVDF，备用；将樟脑、乙炔黑和导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入芳纶纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片。放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态。

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度300℃压合在一起，然后在马弗炉中500℃煅烧2h，即可。

Claims (10)

1.一种柔性可弯曲的空气阴极，包括疏水层、催化层，所述催化层外面有保护层；所述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压而成。

2.如权利要求1所述的空气阴极，其特征在于：所述疏水层为挥发性物质、导电材料、柔性材料、及疏水粘结剂压制而成；本发明所述催化层为催化剂、石墨烯、导电材料及疏水粘结剂压制而成；本发明所述保护层为挥发性物质、乙炔黑、柔性材料、导电材料、及疏水粘结剂压制而成。

3.如权利要求2所述的空气阴极，其特征在于：所述疏水层中，挥发性物质和柔性材料的添加量为15-30％；优选所述疏水层中挥发性物质与柔性材料添加量比为(1-2)：(2-4)，优选挥发性物质与柔性材料添加量比为1：(2-4)。

4.如权利要求2所述的空气阴极，其特征在于：所述催化层中催化剂和石墨烯的添加量为41-65％(优选45-50％)；优选，所述催化剂与石墨烯添加量比为(40-60)：(1-5),优选催化剂与石墨烯添加量比为(40-50):(3-5)。

5.如权利要求2所述的空气阴极，其特征在于：所述保护层中挥发性物质、乙炔黑和柔性材料的添加量为25-50％，(优选40-50％)；更优选，所述挥发性物质、乙炔黑和柔性材料的重量比为(2-4)：(1-2)：(2-4)，最佳4:2:3。

6.如权利要求2所述的空气阴极，其特征在于：所述导电材料添加量为5-40％，优选，疏水层中导电材料添加量5-10％；催化层中导电材料添加量为30-40％；保护层中导电材料添加量为5-10％。

7.如权利要求2所述的空气阴极，其特征在于：所述疏水粘结剂添加量15-60％；优选疏水层中疏水粘结剂添加量30-60％；催化层中疏水粘结剂添加量15-30％；保护层中疏水粘结剂添加量40-60％。

8.如权利要求2所述的空气阴极，其特征在于：所述挥发性物质包括樟脑、薄荷、冰片中一种或多种；所述柔性材料为芳纶纤维、碳纤维、石墨线、高水基纤维中一种或多种；所述导电材料为活性炭、介孔碳和导电炭黑，膨胀石墨中的一种或多种；所述疏水粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE一种或几种。

9.如权利要求2所述的空气阴极，其特征在于：所述疏水层为10％樟脑、10％活性炭、20％碳纤维、40％聚偏氟乙烯、20％聚四氟乙烯压制而成；所述催化层为40％催化剂、5％石墨烯、40％膨胀石墨、15％聚四氟乙烯压制而成；所述保护层为20％樟脑、5％导电炭黑、10％乙炔黑、15％碳纤维、50％聚偏氟乙烯压制而成。

10.一种柔性可弯曲的空气阴极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)疏水层制备：将挥发性物质和导电材料，研磨成粉，加入适量溶剂搅拌0.1-6h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱20-80℃，烘至0.1-2h，为半干状态；

(2)催化层制备：将催化剂、石墨烯和导电材料混合加入适量溶剂搅拌0.1-6h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱20-80℃，烘至0.1-2h，为半干状态；

(3)保护层制备：将挥发性物质、乙炔黑和导电材料，研磨成粉，加入适量溶剂搅拌0.1-6h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片；放入烘箱20-80℃，烘至0.1-2h，为半干状态；

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，1-5MPa在热压温度200-400℃压合在一起，然后在马弗炉中400-600℃煅烧1-10h，即可；

优选，本发明一种柔性可弯曲的空气阴极的制备方法，包括如下步骤：

(1)疏水层制备：将挥发性物质和导电材料，研磨成粉，加入适量溶剂搅拌1-3h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱50-70℃，烘至0.4-1h，为半干状态；

(2)催化层制备：将催化剂、石墨烯和导电材料混合加入适量溶剂搅拌0.1-3h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱50-70℃，烘至0.4-1h，为半干状态；

(3)保护层制备：将挥发性物质、乙炔黑和导电材料，研磨成粉，加入适量溶剂搅拌1-3h分散，分散均匀后加入疏水粘结剂，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片；放入烘箱50-70℃，烘至0.4-1h，为半干状态；

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，1-3MPa在热压温度200-400℃压合在一起，然后在马弗炉中400-600℃煅烧1-3h即可；

更优选，一种柔性可弯曲的空气阴极的制备方法，包括如下步骤：

(1)疏水层制备：将樟脑和活性炭，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入聚偏氟乙烯PVDF和聚四氟乙烯PTFE，加入少量水，搅拌粘稠状加入碳纤维，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态；

(2)催化层制备：将催化剂、石墨烯和膨胀石墨混合加入适量酒精搅1h分散，分散均匀后加入聚四氟乙PTFE，加入少量水，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱60℃，烘至1h，为半干状态；

(3)保护层制备：将樟脑、乙炔黑和超导电炭黑，研磨成粉，加入适量酒精搅拌1h分散，分散均匀后加入聚偏氟乙烯PVDF，加入少量水，搅拌粘稠状加入柔性材料，持续搅拌直至混合物为延展性的团状物，随后滚压成片，放入烘箱60℃，烘至0.5h，为半干状态；

(4)空气阴极制备：将上述疏水层、催化层、保护层按顺序叠压，2MPa在热压温度300℃压合在一起，然后在马弗炉中500℃煅烧2h。