CN111293319A - 一种长寿命空气阴极及制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种长寿命空气阴极，其为层叠结构，包括作为功能层的扩散层、集流层、催化层，在相邻的功能层之间设有高分子层，在高分子层与其相邻的功能层之间形成连续的三维多孔的高分子网络。通过界面处连续网络的构建，将扩散层、集流网、催化层连接成一个整体，从而避免空气阴极在使用时的分层剥离现象，延长空气阴极的使用寿命。

Description

一种长寿命空气阴极及制备和应用
技术领域：
本发明涉及金属空气电池技术领域，尤其涉及一种长寿命空气阴极。
背景技术：
金属/空气电池拥有高的质量比能量和体积比能量，同时由于金属资源丰富、价格低廉、储运方便，因此金属/空气电池在便携式移动电源、大型固定电站等方面均有十分广阔的应用前景。
空气阴极是金属/空气电池的关键部件之一，空气阴极的活性与寿命直接决定了金属/空气电池的性能与使用寿命，因此提高空气阴极的寿命是金属/空气电池的重要研究方向。
空气阴极一般由扩散层、集流网、催化层组成，经压合制备得到。但由于各层组成与含量不同，界面兼容性差，因此空气阴极在使用时容易出现分层剥离现象，严重影响空气阴极的使用寿命。
发明内容
本发明提出一种长寿命空气阴极，通过界面处连续网络的构建，将扩散层、集流网、催化层连接成一个整体，从而避免空气阴极在使用时的分层剥离现象，延长空气阴极的使用寿命。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种长寿命空气阴极，其为层叠结构，包括作为功能层的扩散层、集流层、催化层，
在相邻的功能层之间设有高分子层，在高分子层与其相邻的功能层之间形成连续的三维多孔的高分子网络。
层叠结构包括依次层叠下述任一一种结构；
一层或两层以上的扩散层、集流层、一层或两层以上的催化层；
集流层、一层或两层以上的扩散层、一层或两层以上的催化层；
一层或两层以上的扩散层、一层或两层以上的催化层、集流层；
两层以上的扩散层、一层或两层以上的催化层，以及位于两层扩散层之间集流层；
一层或两层以上的扩散层、两层以上的催化层，以及位于两层催化层之间集流层；
高分子层位于相邻的功能层之间，其存在位置为下述情形2-4种：
相邻的扩散层之间、扩散层和集流层之间、扩散层和催化层之间、催化层和集流层之间、催化层之间。
所述高分子层采用的高分子材料为氟树脂、聚烯烃、聚醚醚酮、工程塑料、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂中的一种或两种以上。
采用含有高分子材料的原料制备所需功能层、或于功能层内填充高分子材料，于相邻的功能层之间设有设置高分子材料层，相邻功能层和高分子材料层层叠后通过交联反应、溶剂挥发、热熔等方法，于高分子层与其相邻的功能层之间构建连续的三维多孔的高分子网络；具体过程如下：
交联反应法：此外高分子层与功能层内的高分子宜采用能发生交联反应的预聚型高分子，通过化学、物理等方法使其交联，从而结合成三维多孔网络。
热熔法：此时高分子层与功能层内的高分子宜采用相同种类的高分子，高分子层与功能层内的高分子发生热熔，使得高分子具有流动性，两部分高分子熔接在一起，通过高分子链间的分子间作用力结合在一起，形成三维多孔网络。
溶剂挥发法：此时高分子层与功能层内的高分子宜采用相同种类的高分子乳液，此时依靠高分子乳液的流动性使得两部分高分子形成三维网络的预结构，当溶剂挥发后，两部分高分子网络结构定型。
高分子层与其本邻的两功能层连接成整体，进而在空气阴极各功能层界面处构建有连续网络结构。
所述高分子材料为氟树脂、聚烯烃、聚醚醚酮、工程塑料、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂中的一种或两种以上。
所述连续网络结构是指高分子层与功能层(扩散层、集流层或催化层)交叉连接，相互深入至其多孔结构中，形成具有一定机械强度的整体。
所述高分子层与功能层交叉连接连续网络结构总厚度大于等于0.02-100μm；高分子层0.01-50μm。
所述空气阴极在金属/空气电池中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例所需使用的附图作简要的介绍。显然，下面描述中附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为催化层与扩散层间的连续网络结构示意图；
图2为催化层、集流网与扩散层间的连续网络结构示意图；
图中1为催化层，2为扩散层，3为集流网，4为连续网络结构。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1：制备含有聚乙烯的扩散层与催化层，在扩散层表面喷涂薄层聚乙烯微粉，将催化层叠放在扩散层表面，在50T压力下进行压合，然后将电极置于辐射条件下，使得不同部分的聚乙烯发生交联反应，形成三维多孔网络。
实施例2：制备含有ABS的扩散层与催化层，在扩散层表面喷涂薄层PE微粉，将催化层叠放在扩散层表面，在50T压力下进行压合，然后将电极置于辐射条件下，但无法获得形成三维网络的电极结构。
实施例3：制备含有PTFE的扩散层与催化层，在扩散层表面喷涂薄层PTFE乳液，将催化层叠放在扩散层表面，在50T压力下进行压合，压合后将电极干燥，并于200℃下热处理30min，冷却后取出，通过溶剂挥发法在扩散层-催化层间形成三维多孔的高分子网络(如图1所示)。
实施例4：制备含有PE的扩散层与催化层，在扩散层表面喷涂薄层PTFE乳液，将催化层叠放在扩散层表面，在50T压力下进行压合，压合后将电极干燥，并于200℃下热处理30min，冷却后取出，通过溶剂挥发法在扩散层-催化层间形成三维多孔的高分子网络，但其强度远低于实施例3。
实施例5：将碳粉、PE、PTFE乳液、溶剂混合均匀，形成扩散层粉，将催化剂、碳粉、PE、PTFE乳液、溶剂混合均匀，形成催化层粉，在热压模具中依次放置集流体、扩散层粉、PTFE乳液、催化层粉，在340℃下热压成型，采用热熔法在扩散层-催化层间形成三维多孔的高分子网络。
实施例6：将碳粉、PE、溶剂混合均匀，形成扩散层粉，将催化剂、碳粉、PE、溶剂混合均匀，形成催化层粉，在热压模具中依次放置集流体、扩散层粉、PTFE乳液、催化层粉，在340℃下热压成型，此时PE与PTFE通过热熔能够在扩散层-催化层间形成三维多孔网络，但其强度远低于实施例5。
实施例6：将碳粉、PTFE乳液混合成膏体，并填充如泡沫镍孔隙内，形成集流层，制备含有PTFE的扩散层与催化层，并在扩散层与催化层表面喷涂薄层PTFE乳液，将喷涂PTFE乳液的功能层表面靠近集流层，依次叠放扩散层-集流层-催化层，在50T下压合成型，压合后将电极干燥，并于340℃下热处理30min，冷却后取出，在扩散层-集流层间、集流层-催化层间形成三维多孔的高分子网络。
实施例7：制备含有PTFE的扩散层与催化层，在扩散层表面喷涂薄层PTFE乳液，在扩散层表面放置0.1mm后镍网，并叠放一片催化层，在50T下压合成型，压合后将电极干燥，并于340℃下热处理30min，冷却后取出，在扩散层-集流层-催化层间形成三维多孔的高分子网络(如图2所示)。

Claims (8)

1.一种长寿命空气阴极，其为层叠结构，包括作为功能层的扩散层、集流层、催化层，
在相邻的功能层之间设有高分子层，在高分子层与其相邻的功能层之间形成连续的三维多孔的高分子网络。
2.按照权利要求1所述的空气阴极，其特征在于：
层叠结构包括依次层叠下述任一一种结构；
一层或两层以上的扩散层、集流层、一层或两层以上的催化层；
集流层、一层或两层以上的扩散层、一层或两层以上的催化层；
一层或两层以上的扩散层、一层或两层以上的催化层、集流层；
两层以上的扩散层、一层或两层以上的催化层，以及位于两层扩散层之间集流层；
一层或两层以上的扩散层、两层以上的催化层，以及位于两层催化层之间集流层；
高分子层位于相邻的功能层之间，其存在位置为下述情形2-4种：
相邻的扩散层之间、扩散层和集流层之间、扩散层和催化层之间、催化层和集流层之间、催化层之间。
3.按照权利要求1所述的空气阴极，其特征在于：所述高分子层采用的高分子材料为氟树脂、聚烯烃、聚醚醚酮、工程塑料、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂中的一种或两种以上。
4.一种权利要求1、2或3所述空气阴极的制备方法，其特征在于：
采用含有高分子材料的原料制备所需功能层、或于功能层内填充高分子材料，于相邻的功能层之间设有设置高分子材料层，相邻功能层和高分子材料层层叠后通过交联反应、溶剂挥发、热熔方法方法中的任一一种于高分子层与其相邻的功能层之间构建连续的三维多孔的高分子网络；
高分子层与其本邻的两功能层连接成整体，进而在空气阴极各功能层界面处构建有连续网络结构。
5.根据权利要求4所述空气阴极的制备方法，其特征在于：
所述高分子材料为氟树脂、聚烯烃、聚醚醚酮、工程塑料、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂中的一种或两种以上。
6.根据权利要求4所述空气阴极的制备方法，其特征在于：
所述连续网络结构是指高分子层与功能层交叉连接，相互深入至其多孔结构中，形成具有一定机械强度的整体；
所述功能层为扩散层、集流层或催化层。
7.根据权利要求4或6所述空气阴极的制备方法，其特征在于：
所述高分子层与功能层交叉连接连续网络结构总厚度大于等于0.02-100μm；高分子层0.01-50μm。
8.一种权利要求1、2或3所述空气阴极在金属/空气电池中的应用。
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