CN109904463A

CN109904463A - 一种金属空气电池用空气电极及应用

Info

Publication number: CN109904463A
Application number: CN201711305201.2A
Authority: CN
Inventors: 王二东; 齐鹭汀; 孙公权
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-06-18

Abstract

本发明公开了金属空气电池用空气电极，包括碳毡疏水透气层、聚四氟乙烯薄膜、集流层、催化层。与现有技术相比，本发明的空气电极有效缓解电解液外渗，延长电极使用寿命。

Description

一种金属空气电池用空气电极及应用

技术领域

本发明涉及金属/空气电池用阴极。

背景技术

金属/空气电池是以金属镁、铝、锌作为阳极活性物质，空气中氧气作为阴极活性物质，电解液多为碱性电解质溶液，将金属的化学能转化成电能的电化学反应装置。阴极是影响金属/空气电池性能的核心部件之一。传统方法采用活性碳粉和粘结剂混合经一定制备工艺制备成防水扩散层,利用二者形成的憎水结构防止电解液外渗,但在电极长时间寿命测试过程中,电极的憎水结构极易被破坏,仍无法解决电解液外渗,影响电极使用寿命,存在一定的局限性。本发明针对现有技术的不足，在防水透气层和集流体之间添加一层聚四氟乙烯薄膜，有效防止电解液外渗。催化层采用碳材料和疏水剂经高温搅拌分散粉碎粉体的方式，有利于疏水剂的均匀分散，协同抑制电解液外渗。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明采用以下方案来实现：

一种金属/空气电池用阴极，包括碳毡疏水透气层、聚四氟乙烯薄膜、集流层、催化层。聚四氟乙烯薄膜可以有效防止电解液外渗，延长电极使用寿命。

碳毡疏水透气层中PTFE含量最优为50％-70％。

聚四氟乙烯薄膜孔隙率在20％-90％之间；一般情况下，本发明所用的聚四氟乙烯薄膜孔隙率越高越有利于氧气通过薄膜进入催化层参与电化学反应，提高大电流密度下化学反应能力，但聚四氟乙烯薄膜孔隙率越高会在一定程度上提高电解液外渗能力。

聚四氟乙烯厚度为30-50微米，130-150微米，300微米；聚四氟乙烯薄膜厚度越大，电解液外渗能力越弱，但达到一定厚度影响氧气传质；

疏水剂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯中的一种或两种以上。

催化层包括碳材料、氧还原催化剂和疏水剂。

氧还原催化剂为碳载银锰催化剂、碳载银催化剂、碳载锰催化剂、碳载钴、钙钛矿或者尖晶石型催化剂中的一种或两种以上。

金属/空气电池用阴极的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳毡扩散层制备

将碳毡浸渍到10％-60％PTFE乳液中，浸渍1-10min分钟，将碳毡取出，将碳毡中多余水分溢出。烘干温度为50-150℃，烘干时间为30-240min。焙烧温度为150-600℃，焙烧时间为30-240min。

(2)催化层制备

将碳材料与疏水剂按照疏水剂含量为5％-60％混合，按照碳材料与分散剂质量比为1:20-1:1之间加入分散剂，分散剂为煤油、乙醇、聚乙二醇中的一种或两种；在10℃-220℃油浴的条件下，在200-3000rpm条件下，搅拌至形成粘稠状膏体，并将分散剂以加热、减压蒸馏或挤压的方式去除；将制备成的膏体以研磨、球磨、粉碎、打碎的方式制备成目数为80-200目的粉体，按催化层粉体和乙醇的质量比为1:50-1:10混合后将其辊压成膜，厚度为0.20mm-0.70mm之间。膏体混合物在除去分散剂的过程中,会发生一定的团聚,不利于辊压成膜，将其粉碎后可以解决分散不均一的问题，使得内部疏水剂均匀分布。

催化层中疏水剂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯中的一种或两种以上。

(3)电极压合：按照碳毡疏水透气层、聚四氟乙烯薄膜、集流层、催化层顺序依次将上述粉体置于模具中。在温度为25℃-150℃之间的温度范围内，将电极熔接成一体化空气电极。在一定温度范围内，PTFE薄膜不会熔化，但温度过高会导致PTFE薄膜熔化。经过电极压合之后各层之间有一定熔合，但可以区分不同界面范围。

金属空气电池用空气阴极的集流层为拉伸铜网、拉伸镍网中的一种，网孔的大小范围值为0.10-0.50mm。

附图说明

图1为以本发明所述的空气电极作为阴极的铝/空气电池50mA/cm²恒流放电曲线图。从图中可以看出，实施例一电极内部添加PTFE薄膜放电电压高于1.20V，较电极内部未添加PTFE薄膜放电性能高、时间长；对比例一放电曲线不平稳，放电时间较短，主要原因为PTFE薄膜可以有效抑制电解液外渗。

具体实施方式

为进一步说明本发明，列举以下实施例，但本发明不限于下述实施例。

实施例1：

将碳毡浸渍到40％PTFE乳液中，浸渍5min分钟，将碳毡取出，将碳毡中多余水分溢出。烘干温度为100℃，烘干时间为120min,焙烧温度为340℃，焙烧时间为30min。

将碳材料与疏水剂按照疏水剂含量为40％混合，按照碳材料与分散剂质量比为1:6之间加入分散剂，分散剂为乙醇；在室温条件下，在200-1000rpm条件下，搅拌至形成粘稠状膏体，并将分散剂去除；将制备成的膏体以研磨、球磨、粉碎、打碎的方式制备成目数为150目的粉体。将催化层粉体辊压成膜，厚度为0.20mm-0.70mm之间。

按照碳毡疏水透气层、聚四氟乙烯薄膜、集流层、催化层顺序依次将上述粉体置于模具中。聚四氟乙烯薄膜厚度为0.3mm,孔径范围为50-200微米。金属空气电池用空气阴极的集流层为拉伸铜网，网孔的大小范围值为0.10-0.50mm。温度为80℃条件下，将电极压合成一体化空气电极。

对比例1：

将碳毡浸渍到40％PTFE乳液中，浸渍5min分钟，将碳毡取出，将碳毡中多余水分溢出。烘干温度为100℃，烘干时间为120min,烘干温度为340℃，焙烧时间为30min。将碳材料与疏水剂按照疏水剂含量为40％混合，按照碳材料与分散剂质量比为1:6之间加入分散剂，分散剂为乙醇；在室温条件下，在200-1000rpm条件下，搅拌至形成粘稠状膏体，并将分散剂去除；将制备成的膏体以研磨、球磨、粉碎、打碎的方式制备成目数为150目的粉体。将催化层粉体辊压成膜，厚度为0.20mm-0.70mm之间。

按照碳毡疏水透气层、集流层、催化层顺序依次将上述粉体置于模具中。聚四氟乙烯薄膜厚度为0.3mm,孔径范围为50-200微米。金属空气电池用空气阴极的集流层为拉伸铜网，网孔的大小范围值为0.10-0.50mm。在温度为80℃条件下，将电极压合成一体化空气电极。

按照碳毡疏水透气层、集流层、催化层顺序依次将上述粉体置于模具中。在温度为80℃条件下，将电极压合成一体化空气电极。

Claims

1.一种金属空气电池用阴极，包括依次层叠的碳毡疏水透气层、集流层和催化层，其特征在于：所述碳毡疏水透气层和集流层之间放置有一疏水性薄膜；所述疏水性薄膜的孔隙率为30％-80％；所述疏水性膜中的孔直径为5-200微米。

2.如权利要求1所述金属空气电池用空气阴极，其特征在于：所述疏水性薄膜的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯中的一种或二种以上。

3.如权利要求1或2所述金属空气电池用空气阴极，其特征在于：所述疏水性薄膜的厚度为30-350微米。

4.如权利要求1或2所述金属空气电池用空气阴极，其特征在于：所述疏水性薄膜与碳毡疏水透气层的厚度比为3:100-3:10。

5.如权利要求1所述金属空气电池用空气阴极，其特征在于：所述碳毡疏水透气层中含有疏水剂，所述疏水剂的含量为30％-90％。

6.如权利要求5所述金属空气电池用空气阴极，其特征在于：所述疏水剂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯中的一种或两种以上。

7.如权利要求1所述金属空气电池用空气阴极的集流层为拉伸铜网、拉伸镍网中的一种，网孔的大小范围值为0.10-0.50mm。

8.一种权利要求1-7任一所述空气电极在金属/空气电池中的应用。