CN109786762A - 一种梯度亲疏水/气空气电极的结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种梯度亲疏水/气空气电极的结构及其制备方法，属于电极制造技术和化学储能技术领域。该空气电极采用梯度亲疏水/气电极结构，其电极结构由电解液一侧到空气一侧依次包括氧析出催化层、亲水疏气层、第一亲气疏水层、具有良好导电性的多孔结构集流体、氧还原催化层、第二亲气疏水层。该空气电极降低了电池充电过程中的极化反应作用，减少了因氧析出反应产生氧气导致的气泡堆积，克服了电池充电过程中因电压过高导致的空气电极结构损坏，提升了电池寿命以及能量效率。具有安全性强，稳定性好，能量效率高等优点。

Description

一种梯度亲疏水/气空气电极的结构及其制备方法
技术领域
本发明属于电极制造技术和化学储能技术领域，特别涉及金属空气电池相关技术。
背景技术
当今社会各种新能源的使用越来越广泛，但是新能源发电存在着发电不稳定的缺陷，风能、太阳能发电的弃风、弃光率都很高，为了能够尽可能的节约能源并稳定的向用户供电，就需要使用大型储能技术来解决这一问题。
在各种大型储能技术中，相比于其他储能技术，金属空气电池具有成本低廉、安全性强、使用范围广等优势，具有非常好的应用前景。但是金属空气电池正极在充电过程中容易因为气泡堆积以及电极极化反应等因素造成充电电压过高，从而导致电极的损坏，影响电池寿命及能量效率。
发明内容
发明的目的在于提供一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极的结构及其制造方法，该空气电极采用梯度亲疏水/气电极结构，降低了电池充电过程中的极化反应作用，减少了因氧析出反应产生氧气导致的气泡堆积，克服了电池充电过程中因电压过高导致的空气电极结构损坏，降低了电池的充电电压，提升了电池寿命及能量效率。具有安全性强，稳定性好，能量效率高等优点。
一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，该电极结构从电解液一侧到空气一侧依次为氧析出催化层、亲水疏气层、第一亲气疏水层、集流体层、氧还原催化层、第二亲气疏水层。
氧析出催化层和氧还原催化层由对应的商用氧析出催化剂或氧还原催化剂、导电剂、粘结剂组成。
进一步的，上述催化层中导电剂与催化剂质量比为1-5:3，优选为2：3；催化剂导电剂总质量与粘结剂质量比为1-15:1，优选为9：1。
氧析出催化剂为商用贵金属催化剂、非贵金属催化剂中的一种或两种。氧析出催化剂层对应为0.05-0.5mg/cm2，优选为0.2-0.4mg/cm2；氧还原催化剂为贵金属催化剂和非贵金属催化剂中的一种，氧还原催化剂层对应为0.1-0.5mg/cm2，优选为0.2-0.4mg/cm2。氧还原催化剂与氧析出催化剂负载量之比优选为1:1-1:5，优选为1:1。
亲水疏气层由导电剂以及超亲水粘结剂组成；亲水疏气层导电剂为碳黑、碳纤维、石墨烯中的一种或两种以上，优选为碳黑；超亲水粘结剂为PVA、PVP、PVDF中的一种或一种以上，优选为PVA。导电剂以及超亲水粘结剂的质量比为优选4：1。
第一、第二亲气疏水层由导电剂及高分子疏水材料组成，导电剂及高分子疏水材料的质量比优选为1：1。进一步的，亲气疏水层导电剂为碳黑、石墨、石墨烯、CNT中的一种或几种，优选为碳黑；粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或两种，优选为聚四氟乙烯。其第一亲气疏水层与第二亲气疏水层负载量之比即质量比为1:1-1:2，优选为7:8，优选第一亲气疏水层与第二亲气疏水层的组成相同。
进一步的，亲水疏气层与第一亲气疏水层负载量比即质量比为1:1-1:10，优选为1:7。
梯度亲疏水/气空气电极的集流体材料为泡沫镍、不锈钢网、碳纸、碳布中的一种，优选为碳纸，其厚度为0.1-0.4mm，优选为0.29mm。
本发明中的梯度亲疏水/气空气电极制备方法包括了以下步骤：
(1)氧还原催化层的制备
称取催化剂以及粘结剂，加入乙醇将其混合；将混合浆料超声10-15min使其分散均匀；将配置好的催化层浆料滴加在集流体层上并加热烘干，形成稳定氧还原催化层。
(2)亲气疏水层的制备
称量导电剂和高分子疏水材料，将其混合并加入适量乙醇；将混合浆料超声10-15分钟使其分散均匀；按照第一亲气疏水层和第而亲气疏水层得负载量将浆料分别喷涂在步骤(1)氧还原催化层和集流体层上，并烘干，形成第一亲气疏水层和第而亲气疏水层；
将上述制备好的电极放入管式炉中，在氩气氛围下以200-300℃加热20-50分钟，再以300-400℃加热20-50分钟，使高分子疏水材料覆盖在亲气疏水层表面，使电极上形成所需的超疏水结构；
(3)亲水疏气层的制备
称量超亲水粘结剂并加热溶解于去离子水中，对浆料进行搅拌加热，然后加入导电剂，使其混合均匀；将配置好的浆料喷涂在处理好的第一亲气疏水层上，并加热干燥，形成稳定的亲水疏气层；
(4)、氧析出催化层的制备称量催化剂导电剂以及粘结剂，将三者混合加入乙醇并超声10-15min使其混合均匀；将配置好的浆料滴加至亲水疏气层上，加热烘干使其形成稳定的氧析出催化层。
本发明的有益结果是：
(1)采用梯度亲疏水/气空气电极结构，克服了电池充电过程中因电压过高导致的空气电极结构损坏，提升了电池的循环寿命。
(2)降低了电池充电所需的能量，提升了电池的能量效率。
(3)减少了空气电极在充电过程中因气泡堆积导致的有效面积减少。
(4)本发明还具有循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。
附图说明
图1实施例1和对比例1中使用的锌空气液流电池示意图
图2实施例1中空气电极结构示意图
图3对比例1中空气电极结构示意图
图4实施例1和对比例1在10ma/cm2下的充放电稳定性对比；
图5实施例1和对比例1的能量效率对比。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
如图1所示，一种用于金属空气液流电池梯度亲疏水/气空气电极：从负极到正极依次为负极金属锌、电解液(8mol/L氢氧化钾+0.5mol/L氧化锌)、空气正极，其中负极为金属锌片，厚度为1mm，面积为30cm2，其中有效区域为1cm2，空气正极(面积30cm2)，有效电极反应面积1cm2，从电解液一侧到空气一侧依次包括氧析出催化层、亲水疏气层、第一亲气疏水层、集流体、氧还原催化层、第二亲气疏水层。
氧还原催化层由1.5mg的铂碳、0.167mg的Nafion溶液(0.5wt.％)在10mL无水乙醇的溶剂中混合均匀涂覆在集流体上(面积1cm2)制备而成。
亲气疏水层的载量分别为第一扩散层3.5mg/cm2，第二扩散层4mg/cm2，首先称量适量的碳黑和PTFE分散液(60wt.％)，质量比为1:1，加入适量乙醇，超声10-15min使其分散均匀，然后按照电极结构将其均匀喷涂到电极适当的位置(面积与碳纸相同)。
然后将空气电极在氩气氛围下用管式炉以250℃加热30min，350℃加热30min。
下一步进行亲水疏气层的制备，亲水疏气层载量为0.5mg/cm2，碳黑与PVA的质量比为4：1，先称量一定质量的PVA，将其加入到热水中溶解，溶解完全后再加入碳黑，并用磁力搅拌器加热搅拌均匀，然后均匀喷涂在之前处理过碳纸上。
最后在亲水疏气层上均匀涂覆氧析出催化剂，氧析出催化层由0.3mg的氧化铱、0.45mg的乙炔黑、0.083mg的Nafion溶液(0.5wt.％)在1mL无水乙醇的溶剂中混合并超声10min后均匀涂覆在亲水疏气层上；
对比例1
电池构造从负极到正极依次为负极金属锌、电解液(8mol/L氢氧化钾+0.5mol/L氧化锌)、空气正极，其中负极为金属锌片，厚度为1mm，面积为30cm2，其中有效区域为1cm2，空气电极(面积30cm2)，电极反应面积为1cm2，从电解液一侧到空气一侧依次包括氧析出催化层、第一亲气疏水层、集流体、氧还原催化层、第二亲气疏水层。
氧还原催化层由1.5mg的铂碳、0.167mg的Nafion溶液(0.5wt.％)在10mL无水乙醇的溶剂中混合均匀涂覆在集流体上(面积1cm2)制备而成。
第一与第二亲气疏水层载量及构成完全相同，亲气疏水层载量均为4mg/cm2，首先称量适量的碳黑和PTFE分散液(60wt.％)，质量比为1:1，加入适量乙醇，超声10-15min使其分散均匀，然后按照电极结构将其均匀喷涂到电极适当的位置(面积与碳纸相同)。
然后将空气电极在氩气氛围下用管式炉以250℃加热30min，350℃加热30min。
最后在第一亲气疏水层上均匀涂覆氧析出催化剂，氧析出催化层由0.3mg的氧化铱、0.45mg的乙炔黑、0.083mg的Nafion溶液(0.5wt.％)在1mL无水乙醇的溶剂中混合并超声10min后均匀涂覆在第一亲气疏水层上。

Claims (9)

1.一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，其特征在于，该电极结构从电解液一侧到空气一侧依次为氧析出催化层、亲水疏气层、第一亲气疏水层、集流体层、氧还原催化层、第二亲气疏水层。
2.按照权利要求1所述的一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，其特征在于，氧析出催化层和氧还原催化层由对应的氧析出催化剂或氧还原催化剂、导电剂、粘结剂组成；上述催化层中导电剂与催化剂质量比为1-5:3，优选为2：3；催化剂导电剂总质量与粘结剂质量比为1-15:1，优选为9：1；氧析出催化剂层对应为0.05-0.5mg/cm2，优选为0.2-0.4mg/cm2；氧还原催化剂层对应为0.1-0.5mg/cm2，优选为0.2-0.4mg/cm2；氧还原催化剂与氧析出催化剂负载量之比优选为1:1-1:5，优选为1:1。
3.按照权利要求2所述的一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，其特征在于，氧析出催化剂为商用贵金属催化剂、非贵金属催化剂中的一种或两种；氧还原催化剂为贵金属催化剂和非贵金属催化剂中的一种。
4.按照权利要求1所述的一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，其特征在于，亲水疏气层由导电剂以及超亲水粘结剂组成；亲水疏气层导电剂为碳黑、碳纤维、石墨烯中的一种或两种以上，优选为碳黑；超亲水粘结剂为PVA、PVP、PVDF中的一种或一种以上，优选为PVA；导电剂以及超亲水粘结剂的质量比优选为4:1。
5.按照权利要求1所述的一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，其特征在于，第一、第二亲气疏水层由导电剂及高分子疏水材料组成，导电剂与高分子疏水材料的质量比优选为1:1，其第一亲气疏水层与第二亲气疏水层负载量之比即质量比为1:1-1:2，优选为,7:8，优选第一亲气疏水层与第二亲气疏水层的组成相同。
6.按照权利要求1所述的一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，其特征在于，亲水疏气层与第一亲气疏水层负载量比即质量比为1:1-1:10，优选为1:7。
7.按照权利要求5所述的一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，其特征在于，亲气疏水层导电剂为碳黑、石墨、石墨烯、CNT中的一种或几种，优选为碳黑；粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或两种，优选为聚四氟乙烯。
8.按照权利要求1所述的一种用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构，其特征在于，梯度亲疏水/气空气电极的集流体材料为泡沫镍、不锈钢网、碳纸、碳布中的一种，优选为碳纸，其厚度为0.1-0.4mm，优选为0.29mm。
9.制备权利要求1-8任一项所述的用于金属空气电池的梯度亲疏水/气空气电极结构得方法，其特征在于，包括了以下步骤：
(1)氧还原催化层的制备
称取催化剂以及粘结剂，加入乙醇将其混合；将混合浆料超声10-15min使其分散均匀；将配置好的催化层浆料滴加在集流体层上并加热烘干，形成稳定氧还原催化层。
(2)亲气疏水层的制备
称量导电剂和高分子疏水材料，质量比为1：1，将其混合并加入适量乙醇；将混合浆料超声10-15分钟使其分散均匀；按照第一亲气疏水层和第而亲气疏水层得负载量将浆料分别喷涂在步骤(1)氧还原催化层和集流体层上，并烘干，形成第一亲气疏水层和第而亲气疏水层；
将上述制备好的电极放入管式炉中，在氩气氛围下以200-300℃加热20-50分钟，再以300-400℃加热20-50分钟，使高分子疏水材料覆盖在亲气疏水层表面，使电极上形成所需的超疏水结构；
(3)亲水疏气层的制备
称量超亲水粘结剂并加热溶解于去离子水中，对浆料进行搅拌加热，然后加入导电剂，使其混合均匀；将配置好的浆料喷涂在处理好的第一亲气疏水层上，并加热干燥，形成稳定的亲水疏气层；
(4)氧析出催化层的制备
称量催化剂导电剂以及粘结剂，将三者混合加入乙醇并超声10-15min使其混合均匀；将配置好的浆料滴加至亲水疏气层上，加热烘干使其形成稳定的氧析出催化层。
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