CN1303708C - 一种空气电极 - Google Patents
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Abstract
一种空气电极，依次由催化活性层、集流体、具有拉伸方向的憎水透气层和拉伸方向与憎水透气层的拉伸方向相垂直的防漏密封层组成，采用滚压式制造，本发明结构简单、机械强度好、空气的流路可控、可减小电解液流失和二氧化碳的影响，进而提高金属-空气电池的使用寿命和储存寿命。
Description
技术领域：
本发明属于电化学技术领域，尤其涉及的是一种应用在金属-空气电池中的空气电极。
背景技术：
金属-空气电池是以电极电位较负的金属如镁、铝、锌、镉、铁等作负极，以空气中的氧或纯氧作正极的活性物质，电解液一般采用碱性或中性的电解质水溶液。如果采用电极电位更负的锂、钠、钙等作负极时，只能采用非水的有机电解质或无机电解质溶液。
金属-空气电池的主要特点是：第一，由于空气电极所用活性物质是空气中取之不尽的氧，所以比能量高，其理论比能量一般都在1000wh/kg以上，实际比能量在100wh/kg以上，属于高能化学电源；第二，性能稳定，特别是锌-空气电池采用粉状多孔锌电极和碱性电解液后，可以在很高的电流密度下工作，如果采用纯氧代替空气，放电性能还可以大幅度提高；第三，价格便宜。
根据放电率的不同，锌-空气电池可以应用于不同的场合。它可以代替成本很高的锌-银电池用于国防，如鱼雷、导弹等。对于小电流长寿命工作的扣式锌-空气电池，可用于手表、助听器以及计算器等场合。中、小电流密度下工作可用于铁路信号、无线电通讯、航标灯、农用黑光灯等作电源。大电流密度工作可用于车辆动力源，具有无噪声、无废气排放等优点，是一种很有前途的绿色电动车的首选电源之一。
传统空气电极由催化活性层、集流体导电网、憎水透气层复合而成，集流体导电层多压在催化活性层上或压在憎水透气层与催化活性层之间，而憎水透气层又分为聚四氟乙烯型和聚乙烯型两种。这种结构的空气电极存在着机械强度差、电解液遗漏或挥发以及电解液的碳酸化等问题，影响了电池的性能和限制了它的应用。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、机械强度好、空气的流路可控、可减小电解液流失和二氧化碳影响的空气电极，以提高金属-空气电池的使用寿命和储存寿命。
本发明的技术方案是：它依次由以下部分组成：
由催化剂、聚四氟乙烯和高表面积的活性碳、碳素纤维、石墨、分子筛或沸石颗粒材料中的一种或多种构成的催化活性层；由不锈钢、镀镍低碳钢、金、银、镍、钨或铜耐腐蚀金属以网状或多孔状形式构成的集流体；由聚四氟乙烯纯膜或聚四氟乙烯与碳黑构成的具有拉伸方向的憎水透气层和拉伸方向与憎水透气层相垂直的由聚合物构成的防漏密封层，催化活性层、集流体、憎水透气层和防漏密封层采用滚压而成。
催化剂为银、铂贵金属或者二氧化锰、氧化银、氧化钴金属氧化物或者氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁、氢氧化钠、氢氧化锰、氢氧化银、氢氧化铬金属氢氧化物或者以钴、铁、镍、锰为中心金属原子，以酞菁、卟啉为配位体的酞菁钴、四苯基卟啉钴、四甲氧基苯基卟啉钴、酞菁铁、四苯基卟啉铁、四甲氧基苯基卟啉铁、酞菁镍、四苯基卟啉镍、四甲氧基苯基卟啉镍、酞菁锰、四苯基卟啉锰、四甲氧基苯基卟啉锰金属螯合物或者钙钛石型复合氧化物。
防漏密封层是聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙或特氟龙膜中的一种或几种的混合物。
本发明的积极效果如下：
1.作为一种空气(氧)的控制方式，可以避免电解液的遗漏或蒸发，因此延长了金属-空气电池的储存寿命和在空气中的暴露寿命。
2.提高了空气电极的机械强度，有利于金属-空气电池的机械加工。
3.阻止和减小了空气中二氧化碳的进入，减缓了碱性电解液的碳酸化，避免了电池内阻的提高和负极自放电的发生，保持了电池的容量和寿命，可以在相对高的温度和湿度条件下呈现很好的放电性能，使金属-空气电池技术实用化成为可能。
附图说明：
图1是本发明的结构剖面图。
具体实施方式：
参照图1，本发明依次由催化活性层1、集流体2、具有拉伸方向的憎水透气层3和拉伸方向与憎水透气层3拉伸方向相垂直的防漏密封层4组成，采用滚压式制造，先分别制成催化活性层1、集流体2、憎水透气层3和防漏密封层4，再压合而成。催化活性层1由催化剂、聚四氟乙烯和高表面积的活性碳、碳素纤维、石墨、分子筛或沸石颗粒材料中的一种或多种构成，催化剂为银、铂贵金属或者二氧化锰、氧化银、氧化钴金属氧化物或者氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁、氢氧化钠、氢氧化锰、氢氧化银、氢氧化铬金属氢氧化物或者以钴、铁、镍、锰为中心金属原子，以酞菁、卟啉为配位体的酞菁钴、四苯基卟啉钴、四甲氧基苯基卟啉钴、酞菁铁、四苯基卟啉铁、四甲氧基苯基卟啉铁、酞菁镍、四苯基卟啉镍、四甲氧基苯基卟啉镍、酞菁锰、四苯基卟啉锰、四甲氧基苯基卟啉锰金属螯合物或者钙钛石型复合氧化物。集流体2一般是由不锈钢、镀镍低碳钢、金、银、镍、钨或铜耐腐蚀金属以编织网、拉伸网或冲孔拉网形式构成。憎水透气层3由聚四氟乙烯纯膜或聚四氟乙烯与碳黑构成。防漏密封层4是聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙或特氟龙膜中的一种或几种的混合物。憎水透气层3和防漏密封层4在一定的外力拉伸下，可以在某一方向上伸长和取向，就会产生水平和垂直方向上不同的孔径。因此，经过不同方向拉伸成的取向方向互为垂直的憎水透气层3和防漏密封层4可以有效地防止电解液的遗漏或挥发。可以通过控制拉伸强度来选择孔径的大小和形状，以便有效地调控空气的通路，阻止水分和二氧化碳的影响，保证金属-空气电池的容量和性能，提高其储存寿命和使用寿命。
实施例1
将200克四苯基卟啉钴与1000克活性碳混合后，在700℃惰性氮气保护下加热5小时，再加入20％的聚四氟乙烯粘结剂和10公斤水搅拌3小时，在10Mpa碾压成厚度约为0.1mm的催化膜。集流体使用导电镍网。憎水透气层是将碳黑与20％聚四氟乙烯的混合液涂抹在单向拉伸过的尼龙膜上，干燥。防漏密封层使用与憎水透气层拉伸方向垂直的特氟龙膜。在压片膜内放入无甘油玻璃纸，依次放入防漏密封层、憎水透气层、导电骨架和催化膜，然后将玻璃纸覆盖在催化膜上，在260℃下加热、10Mpa下加压成型，剪成面积为100cm2的空气电极。用稳态恒电流进行极化测试，在1.0V的极化电位下电流密度约为100mA/cm2，延长电池的储存寿命5倍。
实施例2
将300克硝酸锰与200克活性碳混合后，在900℃惰性氮气保护下加热8小时，获得280克含氧化锰的碳粉，再加入250克TritonX-100粘结剂和5公斤水搅拌3小时，在8Mpa碾压成厚度约为0.15mm的催化膜。集流体使用导电镍网。憎水透气层是单向拉伸过的特氟龙膜，防漏密封层使用与憎水透气层拉伸方向垂直的Teflon膜。在压片膜内放入无甘油玻璃纸，依次放入防漏密封层、憎水透气层、导电骨架和催化膜，然后将玻璃纸覆盖在催化膜上，在260℃下加热、8Mpa下加压成型，剪成面积为100cm2的空气电极。用稳态恒电流进行极化测试，在1.0V的极化电位下电流密度约为120mA/cm2，延长电池的储存寿命5倍。
Claims (4)
1、一种空气电极，其特征在于：它依次由以下部分组成：
由催化剂、聚四氟乙烯和高表面积的活性碳、碳素纤维、石墨、分子筛或沸石颗粒材料中的一种或多种构成的催化活性层(1)；由不锈钢、镀镍低碳钢、金、银、镍、钨或铜耐腐蚀金属以网状或多孔状形式构成的集流体(2)；由聚四氟乙烯纯膜或聚四氟乙烯与碳黑构成的具有拉伸方向的憎水透气层(3)和拉伸方向与憎水透气层相垂直的由聚合物构成的防漏密封层(4)，催化活性层(1)、集流体(2)、憎水透气层(3)和防漏密封层(4)采用滚压而成。
2、根据权利要求1所述的一种空气电极，其特征在于：催化活性层(1)中的催化剂为银、铂贵金属或者二氧化锰、氧化银、氧化钴金属氧化物或者氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁、氢氧化钠、氢氧化锰、氢氧化银、氢氧化铬金属氢氧化物或者以钴、铁、镍、锰为中心金属原子，以酞菁、卟啉为配位体的酞菁钴、四苯基卟啉钴、四甲氧基苯基卟啉钴、酞菁铁、四苯基卟啉铁、四甲氧基苯基卟啉铁、酞菁镍、四苯基卟啉镍、四甲氧基苯基卟啉镍、酞菁锰、四苯基卟啉锰、四甲氧基苯基卟啉锰金属螯合物或者钙钛石型复合氧化物。
3、根据权利要求1所述的一种空气电极，其特征在于：集流体(2)以编织网、拉伸网或冲孔拉网形式构成。
4、根据权利要求1所述的一种空气电极，其特征在于：防漏密封层(4)是聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙或特氟龙膜中的一种或几种的混合物。
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