CN110707334A - 一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法，具体涉及电化学技术和电池制造技术领域，S1、空气电极防水材料质量配比如下，180～220目的乙炔黑50％～60％；聚乙烯树脂(悬浮细粉)20％～30％；JF‑4TM聚四氟乙烯树脂5～10％；溶剂10～15％；S2、催化材料质量配比如下，300目的活性炭65％～75％；钙态矿型催化剂10％～15％；氧化锶2％～5％；JF‑4TM聚四氟乙烯树脂(悬浮细粉)8％～10％；TX‑10分散剂5％；S3、制膜成膜厚度0.15～0.2mm；S4、将热合硫化式空气电极压制成型后，进行萃取处理，即完成热合式空气电极制造。本发明实现空气电极量化生产，热合硫化压制方法制造空气电极，透气孔分布均匀一致，孔隙率高，机械强度高，提高空气电极组装成电池在电动车领域应用稳定性和可靠性。

Description

一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法
技术领域
本发明属于电化学技术和电池制造技术领域，具体涉及一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法。
背景技术
金属空气电池比能量高，且具有工作电压平稳、容量大、工作安全可靠的优点；且金属空气电池制造过程无污染，原材料来源丰富易得，价格低廉，具有其它化学电源不可替代优势，金属空气电池核心问题是空气电极(氧电极)，要求空气电极具有高孔隙率，孔分布均匀，透气性好，具备一定机械强度，同时具有良好防渗透能力和氧的催化能力。如何满足上述要求制造空气电极，通过大量试验和探索，研究出热合硫化压制空气电极制造方法，从防水材料混合制备、催化材料配比制备，采用热合硫化方法制造空气电极。
鉴于上述不足，现需要一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法，实现空气电极量化生产，热合硫化压制方法制造空气电极，透气孔分布均匀一致，孔隙率高，机械强度高，满足动力型金属空气燃料电池应用，提高空气电极组装成电池在电动车领域应用稳定性和可靠性。
发明内容
鉴于上述不足，现需要一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法，实现空气电极量化生产，热合硫化压制方法制造空气电极，透气孔分布均匀一致，孔隙率高，机械强度高，满足动力型金属空气燃料电池应用，提高空气电极组装成电池在电动车领域应用稳定性和可靠性。
本发明提供了如下的技术方案：
一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法，具体步骤如下：
S1、防水材料制备：
空气电极防水材料质量配比如下，180～220目的乙炔黑50％～60％；聚乙烯树脂(悬浮细粉)20％～30％；JF-4TM聚四氟乙烯树脂5～10％；溶剂10～15％；
将上述防水材料在反应釜中180℃～250℃保温下混合搅拌80～100分钟，然后降到室温后，送入干燥箱在75℃下干燥4小时，然后通过粉碎机粉碎成80～150目，并筛分成三级：小于80目、80至100目、大于100目，按颗粒度比例混合完成防水材料制备；
S2、热合硫化型催化材料制备：
催化材料质量配比如下，300目的活性炭65％～75％；钙态矿型催化剂10％～15％；氧化锶2％～5％；JF-4TM聚四氟乙烯树脂(悬浮细粉)8％～10％；TX-10分散剂5％；先将上述催化材料在240℃-300℃混合均质60分钟；
然后将催化材料混合均质50～80分钟，沉浸24小时后，进入电烘箱中75℃烘干4～8小时，粉碎过筛200目，即完成催化材料制备；
S3、制膜：
将铜拉网或镍网或泡沫镍平铺在防水材料干粉上，在温度180～220℃硫化机上进行热合；防水材料均匀地与铜拉网或镍网或泡沫镍粘接一体后，等压下在冷却机上进行定型；热合成型后防水电极内侧表面上喷涂催化材料，其中硫化机温度200℃，压力30MP，合膜时间180～220s，成膜厚度0.15～0.2mm，即制膜完成；本工艺能使得催化材料能均匀喷涂在空气电极防水层内侧表面上，成型后空气电极催化层厚度均匀、密度一致，电池工作中能形成良好三相界面。
S4、完成电极制造
将热合硫化式空气电极压制成型后，进行萃取处理，萃取时间20～36小时，在电烘箱中65℃下烘干2～4小时，即完成热合式空气电极制造；通过热合硫化式空气电极机械强度高、孔隙率高、孔分布均匀；并且能使聚乙烯材料熔融交联憎水性高，增加空气电极机械强度，提高空气电极寿命
优选的，防水材料颗粒度按比例70％、25％、5％混合均匀，完成防水材料制备；热合硫化式空气电极专用防水材料制备，是在反应釜中进行，制成防水材料离散型细微颗粒状。
优选的，聚乙烯树脂采用干粉，聚四氟乙烯也可采用含固量60％乳液、添加凝固剂和分散剂。空气电极成型在专用平板硫化机上进行，防水材料平铺在模具的泡沫镍上，通过高温融化，防水材料在聚乙烯树脂和聚四氟乙烯纤维作用下交联一体，防水材料颗粒度不同分别渗透泡沫镍集流体中间和两侧，在集流体网孔内填充满交联为一体；减小空气电极极化电阻
优选的，S4步骤中电极的直孔率为12～17％，曲直孔率为83～88％；并且能使聚乙烯材料经向纬向熔融交联，增加电极机械强度，提高空气电极寿命。
本发明的有益效果：
本发明的金属空气电池中空气电极采用热合硫化压制法生产的空气电极，孔隙率高，透气性能好，机械强高，功率密度高。单位放电密度≥200mA/cm2(对锌电极1.0V以上)。从材料选择，材料配方，材料热化合成，工艺路径短，生产环节减少，质量控制性高；热合硫化压制法生产的空气电极，通过萃取烘干，实现空气电极批量化生产，并且能保证产品的一致性。选用原材料丰富易得。生产过程中无污染，无排放，达到环境保护要求。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中
图1、空气电极示意图
图2、金属空气电池示意图
1a、防水层；2a、集流体；3a、催化层；1、塑料壳体；2、空气电极；3、隔膜；4、锌电极；5、电解液；6、上盖
具体实施方式
实施例1：
一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法如下：
S1、防水材料制备：空气电极防水材料质量配比如下，180目的乙炔黑50％％；聚乙烯树脂(悬浮细粉)20％％；JF-4TM聚四氟乙烯树脂5％；溶剂10％；
将上述防水材料在反应釜中180℃保温下混合搅拌80分钟，然后降到室温后，送入干燥箱在75℃下干燥4小时，然后通过粉碎机粉碎成80目，并筛分成三级：小于80目、80至100目、大于100目，防水材料颗粒度按比例70％、25％、5％混合均匀，完成防水材料制备；热合硫化式空气电极专用防水材料制备，是在反应釜中进行，制成防水材料离散型细微颗粒状；其中，聚乙烯树脂采用干粉，聚四氟乙烯也可采用含固量60％乳液、添加凝固剂和分散剂。空气电极成型在专用平板硫化机上进行，防水材料平铺在模具的泡沫镍上，通过高温融化，防水材料在聚乙烯树脂和聚四氟乙烯纤维作用下交联一体，防水材料颗粒度不同分别渗透泡沫镍集流体中间和两侧，在集流体网孔内填充满交联为一体；减小空气电极极化电阻
S2、热合硫化型催化材料制备：催化材料质量配比如下，300目的活性炭65％；钙态矿型催化剂10％；氧化锶2％；JF-4TM聚四氟乙烯树脂(悬浮细粉)8％；TX-10分散剂5％；先将上述催化材料在240℃混合均质60分钟；然后将催化材料混合均质50分钟，沉浸24小时后，进入电烘箱中75℃烘干4小时，粉碎过筛200目，即完成催化材料制备；
S3、制膜：将铜拉网或镍网或泡沫镍平铺在防水材料干粉上，在温度180℃硫化机上进行热合；防水材料均匀地与铜拉网或镍网或泡沫镍粘接一体后，等压下在冷却机上进行定型；热合成型后防水电极内侧表面上喷涂催化材料，其中硫化机温度200℃，压力30MP，合膜时间180s，成膜厚度0.15mm，即制膜完成；本工艺能使得催化材料能均匀喷涂在空气电极防水层内侧表面上，成型后空气电极催化层厚度均匀、密度一致，电池工作中能形成良好三相界面。
S4、完成电极制造；将热合硫化式空气电极压制成型后，进行萃取处理，萃取时间20小时，在电烘箱中65℃下烘干2小时，电极的直孔率为12％，曲直孔率为83％；并且能使聚乙烯材料经向维向熔融交联，增加电极机械强度，提高空气电极寿命；即完成热合式空气电极制造；通过热合硫化式空气电极机械强度高、孔隙率高、孔分布均匀；并且能使聚乙烯材料熔融交联憎水性高，增加空气电极机械强度，提高空气电极寿命
具体，参见本申请附图，本发明专利热合硫化压制法压制成型空气电极是由：1a.防水层(导电层)；2a.集流体；3a.催化层三部分组成。其中1a、防水层：由聚乙烯、聚四氟乙烯树脂与乙炔黑导电剂溶剂等材料制成。2a、集流体：采用镀银铜拉网或泡沫镍。3a、催化层：由活性炭、乙炔黑、钙态矿型催化剂、金属氧化物、聚四氟乙烯树脂等材料制成。采用热合硫化法，把防水材料嵌入集流体网孔内硫化压合，保证集流体内部和表面两侧都敷着上防水材料后，喷涂催化材料一起硫化压合，制成1.8mm厚空气电极，放入抽提机中萃取20小时，在电烘箱75℃下烘干4小时，自然冷却至室温，热合硫化压制空气电极制造完成。裁剪成80×80mm空气电极两块，粘贴在宽度6mm；塑料壳两侧(空气电极有效面积7×6.5×2＝91cm2，正极)；负极采用80g电沉积锌粉，压制成80×80×2.5锌板(锌电极)，锌电极包裹1层隔膜，放入两侧贴有空气电极塑料壳中，加入浓度6N/L氢氧化钾溶液30mL，静置20分钟后，自然通风条件下进行电性能测试；
实施例2：与实施例1不同之处在于，实施例2工艺参数为右侧端值
实施例3：一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法如下：
S1、防水材料制备：空气电极防水材料质量配比如下，200目的乙炔黑55％；聚乙烯树脂(悬浮细粉)25％；JF-4TM聚四氟乙烯树脂7.5％；溶剂12.5％；
将上述防水材料在反应釜中215℃保温下混合搅拌90分钟，然后降到室温后，送入干燥箱在75℃下干燥4小时，然后通过粉碎机粉碎成80～150目，并筛分成三级：小于80目、80至100目、大于100目，防水材料颗粒度按比例70％、25％、5％混合均匀，完成防水材料制备；热合硫化式空气电极专用防水材料制备，是在反应釜中进行，制成防水材料离散型细微颗粒状；其中，聚乙烯树脂采用干粉，聚四氟乙烯也可采用含固量60％乳液、添加凝固剂和分散剂。空气电极成型在专用平板硫化机上进行，防水材料平铺在模具的泡沫镍上，通过高温融化，防水材料在聚乙烯树脂和聚四氟乙烯纤维作用下交联一体，防水材料颗粒度不同分别渗透泡沫镍集流体中间和两侧，在集流体网孔内填充满交联为一体；减小空气电极极化电阻
S2、热合硫化型催化材料制备：催化材料质量配比如下，300目的活性炭70％；钙态矿型催化剂12.5％；氧化锶3.5％；JF-4TM聚四氟乙烯树脂(悬浮细粉)9％；TX-10分散剂5％；先将上述催化材料在270℃混合均质60分钟；然后将催化材料混合均质65分钟，沉浸24小时后，进入电烘箱中75℃烘干6小时，粉碎过筛200目，即完成催化材料制备；
S3、制膜：将铜拉网或镍网或泡沫镍平铺在防水材料干粉上，在温度200℃硫化机上进行热合；防水材料均匀地与铜拉网或镍网或泡沫镍粘接一体后，等压下在冷却机上进行定型；热合成型后防水电极内侧表面上喷涂催化材料，其中硫化机温度200℃，压力30～50MP，合膜时间200s，成膜厚度0.17mm，即制膜完成；本工艺能使得催化材料能均匀喷涂在空气电极防水层内侧表面上，成型后空气电极催化层厚度均匀、密度一致，电池工作中能形成良好三相界面。
S4、完成电极制造；将热合硫化式空气电极压制成型后，进行萃取处理，萃取时间28小时，在电烘箱中65℃下烘干3小时，电极的直孔率为14.5％，曲直孔率为85％；并且能使聚乙烯材料经向维向熔融交联，增加电极机械强度，提高空气电极寿命；即完成热合式空气电极制造；通过热合硫化式空气电极机械强度高、孔隙率高、孔分布均匀；并且能使聚乙烯材料熔融交联憎水性高，增加空气电极机械强度，提高空气电极寿命
具体，参见本申请附图，本发明专利热合硫化压制法压制成型空气电极是由：1a.防水层(导电层)；2a.集流体；3a.催化层三部分组成。其中1a、防水层：由聚乙烯、聚四氟乙烯树脂与乙炔黑导电剂溶剂等材料制成。2a、集流体：采用镀银铜拉网或泡沫镍。3a、催化层：由活性炭、乙炔黑、钙态矿型催化剂、金属氧化物、聚四氟乙烯树脂等材料制成。采用热合硫化法，把防水材料嵌入集流体网孔内硫化压合，保证集流体内部和表面两侧都敷着上防水材料后，喷涂催化材料一起硫化压合，制成1.8mm厚空气电极，放入抽提机中萃取20小时，在电烘箱75℃下烘干6小时，自然冷却至室温，热合硫化压制空气电极制造完成。裁剪成80×80mm空气电极两块，粘贴在宽度6mm；塑料壳两侧(空气电极有效面积7×6.5×2＝91cm2，正极)；负极采用80g电沉积锌粉，压制成80×80×2.5锌板(锌电极)，锌电极包裹1层隔膜，放入两侧贴有空气电极塑料壳中，加入浓度6N/L氢氧化钾溶液30mL，静置20分钟后，自然通风条件下进行电性能测试；
试制样品测试结果：
实施例1数据：
开路电压1.45V：自然通风条件下
Figure BDA0002271735520000091
实施例2数据：开路电压1.45V：自然通风条件下
Figure BDA0002271735520000092
实施例3数据：开路电压1.45V：自然通风条件下
Figure BDA0002271735520000101
本发明的金属空气电池中空气电极采用热合硫化压制法生产的空气电极，孔隙率高，透气性能好，机械强高，功率密度高。单位放电密度≥200mA/cm2(对锌电极1.0V以上)。从材料选择，材料配方，材料热化合成，工艺路径短，生产环节减少，质量控制性高；热合硫化压制法生产的空气电极，通过萃取烘干，实现空气电极批量化生产，并且能保证产品的一致性。选用原材料丰富易得。生产过程中无污染，无排放，达到环境保护要求。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、防水材料制备：
空气电极防水材料质量配比如下，180～220目的乙炔黑50％～60％；聚乙烯树脂(悬浮细粉)20％～30％；JF-4TM聚四氟乙烯树脂5～10％；溶剂10～15％；
将上述防水材料在反应釜中180℃～250℃保温下混合搅拌80～100分钟，然后降到室温后，送入干燥箱在75℃下干燥4小时，然后通过粉碎机粉碎成80～150目，并筛分成三级：小于80目、80至100目、大于100目，按颗粒度比例混合完成防水材料制备；
S2、热合硫化型催化材料制备：
催化材料质量配比如下，300目的活性炭65％～75％；钙态矿型催化剂10％～15％；氧化锶2％～5％；JF-4TM聚四氟乙烯树脂(悬浮细粉)8％～10％；TX-10分散剂5％；先将上述催化材料在240℃-300℃混合均质60分钟；
然后将催化材料混合均质50～80分钟，沉浸24小时后，进入电烘箱中75℃烘干4～8小时，粉碎过筛200目，即完成催化材料制备；
S3、制膜：
将铜拉网或镍网或泡沫镍平铺在防水材料干粉上，在温度180～220℃硫化机上进行热合；防水材料均匀地与铜拉网或镍网或泡沫镍粘接一体后，等压下在冷却机上进行定型；热合成型后防水电极内侧表面上喷涂催化材料，其中硫化机温度200℃，压力30MP，合膜时间180～220s，成膜厚度0.15～0.2mm，即制膜完成；
S4、完成电极制造
将热合硫化式空气电极压制成型后，进行萃取处理，萃取时间20～36小时，在电烘箱中65℃下烘干2～4小时，即完成热合式空气电极制造。
2.根据权利要求1所述的一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法，其特征在于：防水材料颗粒度按比例70％、25％、5％混合均匀，完成防水材料制备。
3.根据权利要求1所述的一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法，其特征在于：聚乙烯树脂采用干粉，聚四氟乙烯也可采用含固量60％乳液、添加凝固剂和分散剂。空气电极成型在专用平板硫化机上进行，防水材料平铺在模具的泡沫镍上，通过高温融化，防水材料在聚乙烯树脂和聚四氟乙烯纤维作用下交联一体，防水材料颗粒度不同分别渗透泡沫镍集流体中间和两侧，在集流体网孔内填充满交联为一体。
4.根据权利要求1所述的一种金属空气电池中空气电极热合硫化压制方法，其特征在于：S4步骤中电极的直孔率为12～17％，曲直孔率为83～88％。
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