CN111640951B - 一种空气电极催化层的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种空气电极催化层的制备方法及应用，该方法包括以下步骤：将碳纳米纤维分散在DMF溶液中，制成分散液；将蔗糖溶于无水乙醇中，加入所述分散液，超声分散，以100～300r/min球磨2h以上，脱除溶剂，混合物在600～650℃进行碳化处理，得到碳纳米纤维/碳的杂化材料；按重量比1:0.1～0.3称取乙炔黑和所述杂化材料，混合均匀作为导电材料，与催化剂、粘结剂复合，制成空气电极催化层。所制得的催化层可提高空气电极的导流性，提高空气电池的放电性能。

Description

一种空气电极催化层的制备方法及应用
技术领域
本申请涉及金属燃料电池技术领域，具体涉及一种空气电极催化层的制备方法及应用。
背景技术
空气电极催化层是影响空气电池性能的重要因素，包括催化材料、导电材料和粘结剂等组分。常用的导电材料有导电炭黑、石墨烯、乙炔黑、碳纳米管等，这些导电剂往往难以搭接形成有效的导电网络，影响电流传输效率及空气电极的活性。
现有通过石墨烯包覆处理的方法可以在一定程度上改善上述问题，但是工艺复杂，不适合大规模应用，且石墨烯分散性有限，对电性能的改善作用有限。
发明内容
为解决现有技术存在的技术问题，提供一种空气电极催化层的制备方法，可提高空气电极的导流性，改善空气电池的放电性能。
一方面，提供一种空气电极催化层的制备方法，包括以下步骤：
将碳纳米纤维分散在DMF溶液中，制成分散液；
将蔗糖溶于无水乙醇中，加入上述分散液，控制碳纳米纤维与蔗糖的重量比为1:1～5，超声分散，以100～300r/min球磨2h以上，脱除溶剂，混合物在600～650℃进行碳化处理，得到碳纳米纤维/碳的杂化材料；
按重量比1:0.1～0.3称取乙炔黑和所述杂化材料，混合均匀作为导电材料，与催化剂、粘结剂复合，制成空气电极催化层。
优选的，所述碳纳米纤维的直径为10～500nm，长径比为50～1000。
优选的，所述导电材料、催化剂、粘结剂的重量比为0.5～2:4～6:2～6。
优选的，所述粘结剂为聚四氟乙烯乳液。
优选的，所述催化剂为贵金属、锰氧化物中的至少一种。
另一方面，提供一种空气电极，应用上述制备方法制得的空气电极催化层。
再一方面，提供一种应用上述空气电极的空气电池。
本申请具体实施例提供的技术方案至少具有以下有益效果：
碳纳米纤维具有优异的导电性以及一定的长径比，有利于搭接形成导电网络，改善导流性，预先将蔗糖与碳纳米纤维分散均匀，在后续碳化过程中使碳纳米纤维表面沉积碳，可保证导电性，并利于与炭黑等导电材料分散均匀，提高电化学性能。
超声和球磨处理可改善碳纳米纤维的分散形态，控制球磨速率在一定范围，能较好地保证碳纳米纤维的形貌，进一步在其表面沉积碳，还能起到保护作用，减少后续制程的不利影响。本方法所制得的催化层能提高空气电极的导流性，改善空气电池的放电性能。
附图说明
图1显示了本发明各实施例和对比例的空气电池的放电性能。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例作进一步地详细描述。
以下实施例和对比例中，碳纳米纤维直径150～200nm，长径比70，购自北京德科岛金科技有限公司；催化剂为电解MnO2，粘结剂为PTFE乳液，固含60％。
实施例1
(1)杂化材料制备
将碳纳米纤维分散在DMF溶液中，制成分散液；
将蔗糖溶于无水乙醇中，加入上述分散液，使碳纳米纤维与蔗糖的重量比为1:2，超声分散，以100r/min球磨4h，脱除溶剂，混合物在600℃进行碳化处理，得到碳纳米纤维/碳的杂化材料。
(2)空气电极催化层制备
将乙炔黑和步骤(1)的杂化材料按重量比为1:0.2混匀，制成导电材料，按重量比1.8：5.2：4称取该导电材料、电解MnO2与PTFE乳液，先将该导电材料、电解MnO2分散在有机溶剂(例如丙酮等)中，加入PTFE乳液搅拌成团，碾压成膜，制成催化层。
将该催化层附着在金属网集流体两面，在一侧附防水透气膜，辊压复合，制成空气电极，以高纯铝板为阳极，以4M的KOH和2M的NaOH混合为电解液，组装成空气电池，在不同电流密度下电池电压如图1所示。
对比例1
按重量比1.5：0.3：5.2：4称取乙炔黑、碳纳米纤维、电解MnO2与PTFE乳液，先将乙炔黑、碳纳米纤维、电解MnO2分散在有机溶剂中，以100r/min球磨4h，加入PTFE乳液搅拌成团，碾压成膜，制成催化层。
将该催化层附着在金属网集流体两面，在一侧附防水透气膜，辊压复合，制成空气电极，以高纯铝板为阳极，以4M的KOH和2M的NaOH混合为电解液，组装成空气电池，在不同电流密度下电池电压如图1所示。
对比例2
按重量比1.8：5.2：4称取乙炔黑、电解MnO2与PTFE乳液，先将乙炔黑、电解MnO2分散在有机溶剂中，加入PTFE乳液搅拌成团，碾压成膜，制成催化层。
将该催化层附着在金属网集流体两面，在一侧附防水透气膜，辊压复合，制成空气电极，以高纯铝板为阳极，以4M的KOH和2M的NaOH混合为电解液，组装成空气电池，在不同电流密度下电池电压如图1所示。

Claims (7)

1.一种空气电极催化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将碳纳米纤维分散在DMF溶液中，制成分散液；
将蔗糖溶于无水乙醇中，加入所述分散液，控制碳纳米纤维与蔗糖的重量比为1:1～5，超声分散，以100～300r/min球磨2h以上，脱除溶剂，混合物在600～650℃进行碳化处理，得到碳纳米纤维/碳的杂化材料；
按重量比1:0.2称取乙炔黑和所述杂化材料，混合均匀作为导电材料，与催化剂、粘结剂复合，制成空气电极催化层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米纤维的直径为10～500nm，长径比为50～1000。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电材料、催化剂、粘结剂的重量比为0.5～2:4～6:2～6。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚四氟乙烯乳液。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂为贵金属、锰氧化物中的至少一种。
6.一种空气电极，其特征在于，应用权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的空气电极催化层。
7.应用权利要求6所述空气电极的空气电池。
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