CN111276702A - 金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法、金属空气电池阴极及金属空气电池 - Google Patents

金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法、金属空气电池阴极及金属空气电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于空气电池技术领域。本发明公开了一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其包括浆料制备、浆料喷涂到泡沫镍表面、压制、浸泡及热处理；本发明还公开了一种由上述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极，及包含上述的金属空气电池阴极的金属空气电池。本发明将催化浆料通过粘结剂直接喷涂的方法，将原有的催化层均匀的喷涂在泡沫镍基体的表面，缩短了氧气扩散的距离，有利于氧气在催化剂表面的反应，同时，浆料喷涂后被吸收，在泡沫镍表层残留部分较薄，而泡沫镍表面发达的孔结构极大的提高了氧还原的场所，明显的降低了电池中存在的浓差极化。

Description

金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法、金属空气电池阴 极及金属空气电池
技术领域
本发明涉及空气电池技术领域，尤其是涉及一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法、金属空气电池阴极及金属空气电池。
背景技术
金属空气电池是以较活波金属为负极活性物质，配合用于燃料电池的空气电极为正极组成的一种新型电池。金属空气电池的原材料来源丰富，比能量高，性能稳定，安全环保，被称为“面向21世纪的绿色能源”。目前，阻碍金属空气电池大规模使用的主要原因在空气电极，空气电极的可逆性小，电化学极化较大。为了降低空气电极反应过程中的极化效应，人们对氧电极中使用的催化剂进行了广泛的研究工作。
中国专利公告号CN103165902A于2013年6月19日公开了一种金属空气电极用阴极及其制备方法，其公开一种金属空气电池用阴极，包括催化层、疏水扩散层和集流层，其阴极中含有三个层状结构，三层结构无疑增加了阴极的厚度，使得金属空气电池阴极中氧气扩散的距离增加，不利于氧气在催化剂表面的反应，降低了金属空气电池阴极的电化学性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种制备获得仅有富含催化剂的泡沫镍集流体与防水透气膜组成的金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法；
本发明还提供了一种金属空气电池阴极及一种金属空气电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）浆料制备：将催化剂和导电剂混合，然后加入溶剂搅拌均匀后加入粘结剂，再搅拌5～10分钟，制得浆料；
b）喷涂：将浆料喷涂至泡沫镍上，然后干燥制得催化导电层；
c）压制：将防水透气膜和催化导电层压合在一起，制得电极；
d）浸泡：将压制后的电极冷却后，在纯水中浸泡处理；
e）热处理：将经上述处理后的电极在100～150℃真空下保温2～4小时，随炉冷却至室温后制得金属空气电池阴极用泡沫电极。
现有技术中，空气电极都是由三层或三层以上的材料压制而成的，其主要包括金属网制得的集流体层，涂敷在集流体层上形成的催化层，在催化层之上的防水透气层，其中集流体层主要起到了电子导电的作用，催化层是发生化学反应氧气得到电子被还原的场所，防水透气层主要作用是防止电解液的泄露和提供氧气扩散的通道，但是现有技术中的催化层较厚，同时整体的空气电极也较厚，这样就影响力氧气扩散的路径，使得氧气扩散路径较长，这样就降低了氧气扩散的速度，影响了空气电极的电化学性能，主要就是极化较大。
在本发明中将催化剂浆料喷涂在泡沫镍表面，由于泡沫镍的特殊多孔结构，浆料被吸附到泡沫镍的内部孔结构中，这样即使有部分浆料附着在泡沫镍表面，那形成的层结构也比较薄，几乎可以忽略，同时若形成的层结构较厚，也可以通过物理方法除去较厚的层结构；因此，有本发明中方法制得的空气电池阴极，其催化剂被吸收在泡沫镍内部孔结构中，这样既能够使得阴极厚度更加薄，缩短了氧气扩散的路径，同时泡沫镍表面发达的孔结构极大的提高了氧还原的场所，明显的降低了电池中存在的浓差极化。
作为优选，步骤a）中，催化剂、导电剂、溶剂和粘结剂的重量比为（0.1～5）：（0.5～10）：（10～80）：（0.1～50）。
作为优选，催化剂由碳负载银、银合金、金、铂、钯或锰的氧化物中至少一种制得，所述导电剂为石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、石墨或导电炭黑中的至少一种，所述粘结剂为PTFE或PVDF。
作为优选，溶剂为乙醇。
作为优选，泡沫镍的面密度为100～800g/cm2，厚度为0.5～3mm。
作为优选，泡沫镍在使用前先经过表面除油、酸洗、水洗和干燥处理。
作为优选，步骤b）中，在泡沫镍两面都喷涂浆料。
作为优选，步骤b）中，等喷涂在泡沫镍表面的浆料都被吸附经泡沫镍内部后再进行烘干。
作为优选，步骤c）中，压制温度为180～220℃，压制时间为10～20分钟，压制压强为5～10MPa。
作为优选，步骤d）中，浸泡处理时，纯水每2小时更换一次。
一种金属空气电池阴极，其为由上述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池，其包含上述的金属空气电池阴极。
因此，本发明具有以下有益效果：本发明将催化浆料通过粘结剂直接喷涂的方法，将原有的催化层均匀的喷涂在泡沫镍基体的表面，缩短了氧气扩散的距离，有利于氧气在催化剂表面的反应，同时，浆料喷涂后被吸收，在泡沫镍表层残留部分较薄，而泡沫镍表面发达的孔结构极大的提高了氧还原的场所，明显的降低了电池中存在的浓差极化。
附图说明
图1为本发明实施例1～6金属空气电池阴极组装制得的空气电池的恒流极化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料均可从市场上购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）浆料制备：将催化剂和导电剂混合，然后加入溶剂搅拌均匀后加入粘结剂，再搅拌5分钟，制得浆料；催化剂、导电剂、溶剂和粘结剂的重量比为0.1：0.5：10：0.1，催化剂由碳负载银制得，导电剂为石墨烯，粘结剂为PTFE，溶剂为乙醇；泡沫镍的面密度为800g/cm2，厚度为0.5mm，泡沫镍在使用前先经过表面除油、酸洗、水洗和干燥处理；
b）喷涂：将浆料喷涂至泡沫镍两面上，然后干燥制得催化导电层；
c）压制：将防水透气膜和催化导电层压合在一起，压制温度为180℃，压制时间为20分钟，压制压强为5MPa，制得电极；
d）浸泡：将压制后的电极冷却后，在纯水中浸泡处理，每2小时更换一次纯水；
e）热处理：将经上述处理后的电极在100℃真空下保温4小时，随炉冷却至室温后制得金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池阴极，其为由上述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池，其包含上述的金属空气电池阴极。
实施例2
一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）浆料制备：将催化剂和导电剂混合，然后加入溶剂搅拌均匀后加入粘结剂，再搅拌8分钟，制得浆料；催化剂、导电剂、溶剂和粘结剂的重量比为0.1：0.5：80：50，催化剂由碳负载银合金制得，导电剂为乙炔黑，粘结剂为PTFE，溶剂为乙醇；泡沫镍的面密度为200g/cm2，厚度为1mm，泡沫镍在使用前先经过表面除油、酸洗、水洗和干燥处理；
b）喷涂：将浆料喷涂至泡沫镍两面上，然后干燥制得催化导电层；
c）压制：将防水透气膜和催化导电层压合在一起，压制温度为180℃，压制时间为20分钟，压制压强为5MPa，制得电极；
d）浸泡：将压制后的电极冷却后，在纯水中浸泡处理，每2小时更换一次纯水；
e）热处理：将经上述处理后的电极在100℃真空下保温4小时，随炉冷却至室温后制得金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池阴极，其为由上述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池，其包含上述的金属空气电池阴极。
实施例3
一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）浆料制备：将催化剂和导电剂混合，然后加入溶剂搅拌均匀后加入粘结剂，再搅拌7分钟，制得浆料；催化剂、导电剂、溶剂和粘结剂的重量比为5：10：10：0.1，催化剂由碳负载金制得，导电剂为石墨，粘结剂为PTFE，溶剂为乙醇；泡沫镍的面密度为300g/cm2，厚度为1.5mm，泡沫镍在使用前先经过表面除油、酸洗、水洗和干燥处理；
b）喷涂：将浆料喷涂至泡沫镍两面上，然后干燥制得催化导电层；
c）压制：将防水透气膜和催化导电层压合在一起，压制温度为200℃，压制时间为15分钟，压制压强为7MPa，制得电极；
d）浸泡：将压制后的电极冷却后，在纯水中浸泡处理，每2小时更换一次纯水；
e）热处理：将经上述处理后的电极在130℃真空下保温3小时，随炉冷却至室温后制得金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池阴极，其为由上述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池，其包含上述的金属空气电池阴极。
实施例4
一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）浆料制备：将催化剂和导电剂混合，然后加入溶剂搅拌均匀后加入粘结剂，再搅拌8分钟，制得浆料；催化剂、导电剂、溶剂和粘结剂的重量比为1.5：3.5：30：20，催化剂由碳负载铂制得，导电剂为导电炭黑，粘结剂为PVDF，溶剂为乙醇；泡沫镍的面密度为600g/cm2，厚度为2mm，泡沫镍在使用前先经过表面除油、酸洗、水洗和干燥处理；
b）喷涂：将浆料喷涂至泡沫镍两面上，然后干燥制得催化导电层；
c）压制：将防水透气膜和催化导电层压合在一起，压制温度为200℃，压制时间为15分钟，压制压强为8MPa，制得电极；
d）浸泡：将压制后的电极冷却后，在纯水中浸泡处理，每2小时更换一次纯水；
e）热处理：将经上述处理后的电极在120℃真空下保温3小时，随炉冷却至室温后制得金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池阴极，其为由上述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池，其包含上述的金属空气电池阴极。
实施例5
一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）浆料制备：将催化剂和导电剂混合，然后加入溶剂搅拌均匀后加入粘结剂，再搅拌7分钟，制得浆料；催化剂、导电剂、溶剂和粘结剂的重量比为3.5：6.5：50：35，催化剂由碳负载钯制得，导电剂为乙炔烯和导电炭黑按重量比1：1组成，粘结剂为PVDF，溶剂为乙醇；泡沫镍的面密度为700g/cm2，厚度为2.5mm，泡沫镍在使用前先经过表面除油、酸洗、水洗和干燥处理；
b）喷涂：将浆料喷涂至泡沫镍两面上，然后干燥制得催化导电层；
c）压制：将防水透气膜和催化导电层压合在一起，压制温度为220℃，压制时间为10分钟，压制压强为5MPa，制得电极；
d）浸泡：将压制后的电极冷却后，在纯水中浸泡处理，每2小时更换一次纯水；
e）热处理：将经上述处理后的电极在150℃真空下保温2小时，随炉冷却至室温后制得金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池阴极，其为由上述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池，其包含上述的金属空气电池阴极。
实施例6
一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）浆料制备：将催化剂和导电剂混合，然后加入溶剂搅拌均匀后加入粘结剂，再搅拌10分钟，制得浆料；催化剂、导电剂、溶剂和粘结剂的重量比为5：10：80：50，催化剂由碳负载二氧化锰制得，导电剂为碳纳米管，粘结剂为PVDF，溶剂为乙醇；泡沫镍的面密度为800g/cm2，厚度为0.5mm，泡沫镍在使用前先经过表面除油、酸洗、水洗和干燥处理；
b）喷涂：将浆料喷涂至泡沫镍两面上，然后干燥制得催化导电层；
c）压制：将防水透气膜和催化导电层压合在一起，压制温度为220℃，压制时间为10分钟，压制压强为10MPa，制得电极；
d）浸泡：将压制后的电极冷却后，在纯水中浸泡处理，每2小时更换一次纯水；
e）热处理：将经上述处理后的电极在150℃真空下保温2小时，随炉冷却至室温后制得金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池阴极，其为由上述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极。
一种金属空气电池，其包含上述的金属空气电池阴极。
性能表征及结果
1. 测试方法
将上述实施案例1～6制备获得的金属空气电池阴极与纯铝合金组装制得电池，在浓度为4mol/L的氢氧化钠电解液中进行电化学测试；
2. 测试结果
将测试结果绘制空气电池恒流极化曲线，如图1所示。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）浆料制备：将催化剂和导电剂混合，然后加入溶剂搅拌均匀后加入粘结剂，再搅拌5～10分钟，制得浆料；
b）喷涂：将浆料喷涂至泡沫镍上，然后干燥制得催化导电层；
c）压制：将防水透气膜和催化导电层压合在一起，制得电极；
d）浸泡：将压制后的电极冷却后，在纯水中浸泡处理；
e）热处理：将经上述处理后的电极在100～150℃真空下保温2～4小时，随炉冷却至室温后制得金属空气电池阴极用泡沫电极。
2.根据权利要求1所述的一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于：
所述步骤a）中，催化剂、导电剂、溶剂和粘结剂的重量比为（0.1～5）：（0.5～10）：（10～80）：（0.1～50）。
3.根据权利要求1所述的一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于：
所述催化剂由碳负载银、银合金、金、铂、钯或锰的氧化物中至少一种制得，所述导电剂为石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、石墨或导电炭黑中的至少一种，所述粘结剂为PTFE或PVDF。
4.根据权利要求1所述的一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于：
所述泡沫镍的面密度为100～800g/cm2，厚度为0.5～3mm。
5.根据权利要求1所述的一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于：
所述泡沫镍在使用前先经过表面除油、酸洗、水洗和干燥处理。
6.根据权利要求1所述的一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于：
所述步骤b）中，在泡沫镍两面都喷涂浆料。
7.根据权利要求1所述的一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于：
所述步骤c）中，压制温度为180～220℃，压制时间为10～20分钟，压制压强为5～10MPa。
8.根据权利要求1所述的一种金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法，其特征在于：
所述步骤d）中，浸泡处理时，纯水每2小时更换一次。
9.一种金属空气电池阴极，其特征在于：
其为由权利要求1～8任一所述金属空气电池阴极用泡沫电极的制备方法制得的金属空气电池阴极用泡沫电极。
10.一种金属空气电池，其特征在于：
其包含权利要求9所述的金属空气电池阴极。
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