DE102016123910A1

DE102016123910A1 - Gasdiffusionselektrode

Info

Publication number: DE102016123910A1
Application number: DE102016123910.0A
Authority: DE
Inventors: Dennis Wittmaier
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode für die Reduktion und Bildung von Sauerstoff, insbesondere für eine sekundäre Metall-Luft-Batterie.Die Gasdiffusionselektrode umfasst:ein flächiges, elektrisch leitendes Substrat;eine erste poröse Gasdiffusionsschicht für die Sauerstoffreduktion, die auf dem Substrat angeordnet ist, und die ein erstes Katalysatormaterial und ein hydrophobes Bindemittel enthält;eine zweite poröse Gasdiffusionsschicht für die Sauerstoffbildung, die in Bezug auf das Substrat oberhalb der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist, und die ein zweites Katalysatormaterial enthält; undmindestens einen Stromableiter, der die zweite Gasdiffusionsschicht mit dem Substrat elektrisch leitend verbindet, wobei die zweite Gasdiffusionsschicht eine höhere Porosität und/oder eine geringere Hydrophobizität aufweist als die erste Gasdiffusionsschicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode für die Reduktion und Bildung von Sauerstoff, insbesondere für eine sekundäre Metall-Luft-Batterie.
Metall-Luft-Batterien zeichnen sich gegenüber den meisten anderen Batterietypen durch eine deutlich höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichte aus, was insbesondere dadurch bedingt ist, dass nur einer der beiden Reaktionspartner zum Ausgangsgewicht der Zelle beiträgt, während der Sauerstoff beim Entladen der Batterie aus der Umgebungsluft zugeführt wird. Aus diesem Grund haben Metall-Luft-Batterien, insbesondere Lithium-Luft-Batterien, eine große praktische Bedeutung insbesondere für mobile Anwendungen, z.B. als Energiespeicher in Elektrofahrzeugen. Bei diesen Anwendungen sind insbesondere sekundäre Metall-Luft-Batterien von Interesse, die unter Bildung von Sauerstoff wieder aufgeladen werden können.
Bei Metall-Luft-Batterien ist die Kathode in Form einer Gasdiffusionselektrode ausgebildet, um die elektrochemischen Reaktionen unter Beteiligung von Sauerstoff an einer Drei-Phasen-Grenze zwischen dem festen Katalysator, dem flüssigen Elektrolyt und der gasförmigen Luft bzw. Sauerstoff zu ermöglichen. Im Fall einer Sekundärbatterie muss die Gasdiffusionselektrode einen oder mehrere Katalysatoren enthalten, die insgesamt eine ausreichende Aktivität sowohl für die Sauerstoffreduktion (ORR, Oxygen Reduction Reaction) beim Entladen als auch für die Sauerstoffbildung (OER, Oxygen Evolution Reaction) beim Laden der Batterie aufweisen. Bei den bisher bekannten Kathoden für sekundäre Metall-Luft-Batterien werden diese beiden Funktionalitäten innerhalb einer einzigen, im Wesentlichen homogen aufgebauten Gasdiffusionsschicht vereint.
Eine für sekundäre Metall-Luft-Batterien geeignete Gasdiffusionselektrode ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 2015/124713 A1 bekannt. Diese enthält als Katalysatoren zum einen metallisches Silber, welches insbesondere für die Sauerstoffreduktion eine hohe katalytische Aktivität aufweist, und zum anderen ein Metalloxid wie z.B. Co₃O₄, welches insbesondere für die Sauerstoffbildung eine hohe katalytische Aktivität aufweist.
Nachteilig bei diesen und anderen Gasdiffusionselektroden gemäß dem Stand der Technik bleibt allerdings, dass die Zusammensetzung und Struktur der Elektrode nicht im Hinblick auf beide Reaktionsrichtungen (ORR und OER) optimiert werden kann. Die Sauerstoffreduktion und die Sauerstoffbildung stellen an die Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode nämlich zum Teil gegenläufige Anforderungen, so dass ein Kompromiss gefunden werden muss. Dies betrifft insbesondere die Porosität und die Hydrophobizität der Elektrode: Während für die Sauerstoffbildung eine hochporöse Struktur mit einer geringen Hydrophobizität vorteilhaft ist, bei der die Poren vom Elektrolyt geflutet werden können, wäre eine solche Flutung für die Sauerstoffreduktion äußerst nachteilig, da sie die Diffusion des gasförmigen Sauerstoffs zur Phasengrenzfläche stark limitieren würde. Die bekannten Gasdiffusionselektroden enthalten daher einen ausreichenden Anteil eines hydrophoben Bindemittels wie z.B. PTFE.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gasdiffusionselektrode vorzuschlagen, die sowohl für die Sauerstoffreduktion als auch für die Sauerstoffbildung verbesserte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der Gasdiffusionselektrode der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gasdiffusionselektrode umfasst:

- ein flächiges, elektrisch leitendes Substrat;
- eine erste poröse Gasdiffusionsschicht für die Sauerstoffreduktion, die auf dem Substrat angeordnet ist, und die ein erstes Katalysatormaterial und ein hydrophobes Bindemittel enthält;
- eine zweite poröse Gasdiffusionsschicht für die Sauerstoffbildung, die in Bezug auf das Substrat oberhalb der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist, und die ein zweites Katalysatormaterial enthält; und
- mindestens einen Stromableiter, der die zweite Gasdiffusionsschicht mit dem Substrat elektrisch leitend verbindet,

Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode basiert auf der Überlegung, die unterschiedlichen Funktionalitäten, die für die Sauerstoffreduktion bzw. für die Sauerstoffbildung benötigt werden, mithilfe von zwei getrennten Schichten der Elektrode zu verwirklichen, wobei die Eigenschaften dieser Schichten weitgehend unabhängig voneinander für den jeweiligen Vorgang optimiert werden können. So kann insbesondere die zweite Gasdiffusionsschicht, die in einer Metall-Luft-Batterie dem Elektrolyt zugewandt ist, mit einer relativ hohen Porosität oder einer relativ geringen Hydrophobizität ausgebildet werden, so dass die Poren dieser Schicht vom Elektrolyt geflutet werden können und damit eine hohe Konzentration der beim Laden der Batterie zu reduzierenden Spezies (Hydroxidionen im Fall eines alkalischen Elektrolyts) an der Grenzfläche zur Verfügung stehen. Die hohe Porosität begünstigt zudem das Entweichen des gebildeten Sauerstoffs. Da die Sauerstoffreduktion an der dem Elektrolyt abgewandten, weniger porösen und/oder hydrophoberen ersten Gasdiffusionsschicht erfolgt, ist die Flutung der zweiten Gasdiffusionsschicht auch während des Entladens der Batterie unkritisch.
Der mindestens eine Stromableiter, der bei der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode zusätzlich vorgesehen ist, stellt eine direkte elektrische Verbindung zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht und dem Substrat, welches als elektrischer Kontakt der Elektrode insgesamt dient, dar. Hierdurch ergibt sich ein geringerer elektrischer Widerstand der Gasdiffusionselektrode beim Ladevorgang, als wenn der Stromfluss ausschließlich durch die erste Gasdiffusionsschicht hindurch erfolgen müsste. Dies gilt insbesondere für den Fall, wenn die elektrische Leitfähigkeit der ersten Gasdiffusionsschicht aufgrund von Korrosionsvorgängen nach einer Vielzahl von Lade- und Entladezyklen verringert ist.
Die zweite Gasdiffusionsschicht weist im Vergleich zur ersten Gasdiffusionsschicht eine höhere Porosität auf, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung dahingehend zu verstehen ist, dass sie einen höheren Volumenanteil an Poren und/oder einen größeren mittleren Porendurchmesser aufweist. Diese Parameter können bei der Herstellung der Gasdiffusionsschichten durch dem Fachmann bekannte Maßnahmen eingestellt werden, wie z.B. durch die Partikelgröße der verwendeten Katalysatormaterialien sowie die Druck- und Temperaturbedingungen beim Sintern der Partikel. Die Gasdiffusionsschichten können auch aus Metallschwämmen gebildet sein, die mit einer definierten Porosität herstellbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Volumenanteil an Poren bei der ersten Gasdiffusionsschicht im Bereich von 40% bis 90% und bei der zweiten Gasdiffusionsschicht im Bereich von 40% bis 70%.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der mittlere Porendurchmesser bei der ersten Gasdiffusionsschicht im Bereich von 50 nm bis 50 µm und bei der zweiten Gasdiffusionsschicht im Bereich von 500 nm bis 100 µm.
Da die zweite Gasdiffusionsschicht gemäß der Erfindung allenfalls eine geringe Hydrophobizität aufweisen soll, enthält sie vorzugsweise kein hydrophobes Bindemittel oder einen im Vergleich zur ersten Gasdiffusionsschicht geringeren Anteil eines hydrophoben Bindemittels. Somit kann die zweite Gasdiffusionsschicht bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ausschließlich aus dem zweiten Katalysatormaterial gebildet sein.
Die erste Gasdiffusionsschicht enthält bevorzugt einen Anteil von 5 bis 15 Gew.% des hydrophoben Bindemittels, weiter bevorzugt von 8 bis 12 Gew.%. Dies entspricht im Wesentlichen dem Bindemittelanteil bei einschichtigen Gasdiffusionselektroden gemäß dem Stand der Technik. Für den Fall, dass auch die zweite Gasdiffusionsschicht ein hydrophobes Bindemittel enthält, liegt der Anteil dort bevorzugt bei weniger als 8 Gew.%, weiter bevorzugt bei weniger als 5 Gew.%.
Das hydrophobe Bindemittel ist vorzugsweise ausgewählt aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polyethylen (PE). Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung von PTFE als hydrophobes Bindemittel.
Das erste Katalysatormaterial, das in der ersten Gasdiffusionsschicht enthalten ist, umfasst vorzugsweise ein Metall mit einer hohen katalytischen Aktivität für die Sauerstoffreduktion, insbesondere Silber oder Platin. Das erste Katalysatormaterial kann auch vollständig aus diesem Metall bestehen.
Zusätzlich zu einem Metall, welches auch die elektrische Leitfähigkeit der ersten Gasdiffusionsschicht sicherstellt, kann das erste Katalysatormaterial ferner ein Metalloxid umfassen, das insbesondere ausgewählt ist aus Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄), Eisenoxid (Fe₃O₄), Cobalt-Nickel-Oxid (CoNio₂), Lanthan-Calcium-Cobalt-Oxid (La_xCa_1-xCoO₃), Rutheniumoxid (RuO₂), Iridiumoxid (IrO₂) und Mischungen hiervon. Durch solche Metalloxide kann die katalytische Aktivität für die Sauerstoffreduktion weiter erhöht werden.
Der Anteil an Metalloxid in dem ersten Katalysatormaterial liegt bevorzugt im Bereich von 5 bis 25 Gew.%, weiter bevorzugt im Bereich von 10 bis 15 Gew.%.
Das zweite Katalysatormaterial der zweiten Gasdiffusionsschicht umfasst vorzugsweise ein Metall mit einer hohen katalytischen Aktivität für die Sauerstoffbildung, insbesondere Nickel. Das zweite Katalysatormaterial kann gemäß der Erfindung auch vollständig aus diesem Metall bestehen.
Zusätzlich zu einem Metall, welches auch die elektrische Leitfähigkeit der zweiten Gasdiffusionsschicht sicherstellt, kann das zweite Katalysatormaterial ferner ein Metalloxid umfassen, das insbesondere ausgewählt ist aus Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄), Eisenoxid (Fe₃O₄), Cobalt-Nickel-Oxid (CoNio₂), Lanthan-Calcium-Cobalt-Oxid (La_xCa_1-xCoO₃), Rutheniumoxid (RuO₂), Iridiumoxid (IrO₂) und Mischungen hiervon. Durch den Zusatz solcher Metalloxide kann die katalytische Aktivität für die Sauerstoffbildung weiter erhöht werden.
Der Anteil an Metalloxid in dem zweiten Katalysatormaterial liegt bevorzugt im Bereich von 5 bis 60 Gew.%, weiter bevorzugt im Bereich von 15 bis 20 Gew.%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhält die zweite Gasdiffusionsschicht keinen Kohlenstoff. Im Stand der Technik erfolgt häufig ein Zusatz von Kohlenstoff, um die elektrische Leitfähigkeit der Gasdiffusionselektrode sicherzustellen, wenn diese als Katalysatormaterial ausschließlich Oxide enthält. Der Zusatz von Kohlenstoff ist aber nachteilig, da er insbesondere unter den Bedingungen der Sauerstoffbildung korrodiert und es damit nach einer bestimmten Zahl von Lade- und Entladezyklen zu einem Strukturversagen der Gasdiffusionselektrode kommt. Vorzugsweise enthalten beide Gasdiffusionsschichten der erfindungsgemäßen Elektrode keinen Kohlenstoff, zumal die Leitfähigkeit jeweils durch ein Metall sichergestellt werden kann.
Das flächige Substrat dient bei der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode nicht nur der elektrischen Kontaktierung, sondern trägt auch zur strukturellen Stabilität der Elektrode bei. Das Substrat ist elektrisch leitend und weist darüber hinaus eine gasdurchlässige Struktur auf, um den Zutritt von Sauerstoff zur ersten Gasdiffusionsschicht zu ermöglichen. Vorzugsweise ist das Substrat ein Metallnetz oder ein Streckmetall, insbesondere aus Edelstahl, Nickel, Silber, Gold oder Platin.
Die Herstellung der ersten und der zweiten Gasdiffusionsschicht auf dem Substrat kann mittels Verfahren erfolgen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann eine Gasdiffusionsschicht, bei dem das Katalysatormaterial vollständig aus einem Metall besteht, in Form eines Metallschwamms hergestellt werden. Im Fall der ersten Diffusionsschicht kann ein hydrophobes Bindemittel die Poren eines derartigen Metallschwamms (z.B. eines Silberschwamms) infiltriert werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode werden Partikel eines oder mehrerer Katalysatormaterialien und ggf. Partikel eines hydrophoben Bindemittels gemischt und trocken- oder nasschemisch auf das Substrat bzw. auf eine vorhergehende Schicht aufgetragen. Anschließend wird die Gasdiffusionsschicht unter Einwirkung von erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur verdichtet bzw. gesintert, wobei ggf. das hydrophobe Bindemittel an- oder aufgeschmolzen wird. Ein derartiges Verfahren für die Herstellung einer Gasdiffusionselektrode ist beispielsweise in der Druckschrift WO 2015/124713 A1 beschrieben.
Wie bereits oben erwähnt, können die unterschiedlichen Porositäten der ersten und der zweiten Gasdiffusionsschicht durch die Wahl der Ausgangsmaterialien und/oder der Prozessparameter bei der Durchführung dieser Herstellungsverfahren eingestellt werden.
Der mindestens eine Stromableiter, der gemäß der Erfindung zur elektrisch leitenden Verbindung der zweiten Gasdiffusionsschicht mit dem Substrat vorgesehen ist, ist vorzugweise in einem Randbereich der Gasdiffusionselektrode angeordnet. Insbesondere kann sich der mindestens eine Stromableiter entlang einer oder mehrerer Seitenränder der Gasdiffusionselektrode erstrecken, wobei sich z.B. ein durchgehender Stromableiter entlang aller vier Seitenränder einer rechteckigen Elektrode erstrecken kann oder zwei Stromableiter entlang zweier gegenüberliegender Seitenränder.
Der Stromableiter ist bevorzugt aus einem Metall gebildet, wobei günstigerweise dasselbe Metall eingesetzt werden kann wie für das Substrat, oder aus Kohlenstofffasern. Je nach Anordnung kann der Stromableiter auch zusätzlich zur mechanischen Stabilität der Gasdiffusionselektrode beitragen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird der mindestens eine Stromableiter von der zweiten Gasdiffusionsschicht überdeckt. Auf diese Weise kann ein direkter Kontakt zwischen dem Stromableiter und dem Elektrolyt vermieden werden.
Die zweite Gasdiffusionsschicht kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unmittelbar auf der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet sein. In diesem Fall weist die Gasdiffusionselektrode einen dreilagigen Aufbau auf.
Die erste und die zweite Gasdiffusionsschicht weisen bevorzugt jeweils eine Schichtdicke im Bereich von 100 bis 300 µm auf.
Die Schichtdicke des Substrats liegt bevorzugt im Bereich von 50 bis 200 µm.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den beiden Gasdiffusionslagen eine elektrisch leitende Zwischenschicht angeordnet, die von dem mindestens einen Stromableiter kontaktiert wird. Auf diese Weise kann die Kontaktfläche zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht und dem oder den Stromableitern, deren Erweiterung die elektrisch leitende Zwischenschicht darstellt, um ein Vielfaches erhöht werden. Die Zwischenschicht kann insbesondere aus demselben Metall wie das Substrat und/oder der mindestens eine Stromableiter gebildet sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine sekundäre Metall-Luft-Batterie, insbesondere eine Lithium-Luft-Batterie, die eine erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode als Kathode umfasst.
Als Elektrolyt kann bei der erfindungsgemäßen Metall-Luft-Batterie eine alkalische oder saure wässrige Lösung oder ein organischer Elektrolyt verwendet werden. Im Fall einer Lithium-Luft-Batterie umfasst der Elektrolyt vorzugsweise eine Lithiumhydroxidlösung.
Diese und weiter Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:

1: schematische Querschnittsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode;
2: schematischer Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode; und
3: schematischer Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode.

Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode, die als Ganzes mit 10 bezeichnet ist. Die Darstellung ist rein schematisch, wobei insbesondere das Verhältnis von Breite zu Dicke der Gasdiffusionselektrode 10 nicht den realen Verhältnissen entspricht.
Die Gasdiffusionselektrode 10 umfasst ein flächiges Substrat 12, welches die elektrische Kontaktierung der Gasdiffusionselektrode 10 ermöglicht und ihr gleichzeitig mechanische Stabilität verleiht. Das flächige Substrat 12 ist z.B. ein Netz aus Edelstahl oder Nickel mit einer Dicke von ca. 150 µm.
Unmittelbar auf dem Substrat 12 ist eine erste poröse Gasdiffusionsschicht 14 angeordnet, die ein erstes Katalysatormaterial mit einer hohen katalytischen Aktivität für die Sauerstoffreduktion (ORR) enthält und ein hydrophobes Bindemittel. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Gasdiffusionsschicht 14 um einen mit PTFE infiltrierten Silberschwamm handeln oder um ein aus Partikeln von Silber, Cobaltoxid (Co₃O₄) und PTFE gesintertes Material. Die Dicke der ersten Gasdiffusionsschicht 14 kann z.B. 200 µm betragen, mit einem Volumenanteil an Poren im Bereich von 40% bis 90% und einem mittleren Porendurchmesser von 50 nm bis 50 µm.
Unmittelbar auf der ersten Gasdiffusionsschicht 14 ist eine zweite poröse Gasdiffusionsschicht 16 aufgebracht, die ein zweites Katalysatormaterial mit einer hohen katalytischen Aktivität für die Sauerstoffbildung (OER) enthält. Die zweite Gasdiffusionsschicht 16 kann beispielsweise aus einem Nickelschwamm gebildet sein, oder sie kann durch Sintern von Nickelpartikeln ggf. unter Zusatz von bis zu 20 Gew.% Cobaltoxidpartikeln (Co₃O₄) hergestellt sein. Die zweite Gasdiffusionsschicht 16 weist beispielsweise eine Dicke von ca. 200 µm auf, wobei der Volumenanteil an Poren im Bereich von 40% bis 70% liegt und der mittlere Porendurchmesser im Bereich von 500 nm bis 100 µm.
Die Gasdiffusionselektrode 10 umfasst ferner zwei Stromableiter 18, die in einem Randbereich der Gasdiffusionselektrode 10, in diesem Fall entlang der im Querschnitt links und rechts befindlichen Ränder der Gasdiffusionselektrode 10, angeordnet sind. Die Stromableiter 18 bestehen vorzugsweise aus demselben Metall wie das Substrat 12, also z.B. aus Edelstahl oder Nickel, und stellen eine direkte elektrische Verbindung zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht 16 und dem Substrat 12 dar.
Beim Betrieb einer Metall-Luft-Batterie mit der Gasdiffusionselektrode 10 als Kathode ist die zweite Gasdiffusionsschicht 16 zum Elektrolyt hin orientiert. Aufgrund der geringen oder fehlenden Hydrophobizität und der hohen Porosität der zweiten Gasdiffusionsschicht 16 können deren Poren vom Elektrolyt geflutet werden, was für den Ablauf der Sauerstoffbildung (OER), die durch das zweite Katalysatormaterial katalysiert wird, günstig ist. Der Ladestrom zwischen dem Substrat 12 und der zweiten Gasdiffusionsschicht 16 fließt dabei über die Stromableiter 18, d.h. die erste Gasdiffusionsschicht 14 ist für den Stromfluss beim Laden nicht limitierend.
Beim Entladevorgang erfolgt die Sauerstoffreduktion (ORR) im Wesentlichen an der ersten Gasdiffusionsschicht 14, bei der die Poren aufgrund der deutlich höheren Hydrophobizität nicht durch den Elektrolyt geflutet sind. Somit ist ein ausreichender Transport von Sauerstoff durch das Substrat 12 hindurch an die Phasengrenzfläche der Porenstruktur der ersten Gasdiffusionsschicht 14 gewährleistet.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode 20. Gleiche oder einander entsprechende Elemente sind jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Die Gasdiffusionselektrode 20 unterscheidet sich von der Gasdiffusionselektrode 10 lediglich dadurch, dass hier die Stromableiter 18 an ihrem oberen, dem Elektrolyt zugewandten Ende von der zweiten Gasdiffusionsschicht 16 überdeckt sind. Auf diese Weise kann ein direkter Kontakt zwischen den Stromableitern 18 und dem Elektrolyt vermieden werden.
Die 3 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode 30. Im Gegensatz zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen ist hier die zweite Gasdiffusionsschicht 16 nicht unmittelbar auf der ersten Gasdiffusionsschicht 14 angeordnet, sondern zwischen den beiden Gasdiffusionsschichten befindet sich eine elektrisch leitende Zwischenschicht 32. Die Zwischenschicht 32 wird von den beiden Stromableitern 18 kontaktiert, so dass ein wesentlich effektiverer Stromfluss zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht 16 und dem Substrat 12 ermöglicht wird.
Die Zwischenschicht 32 ist günstigerweise aus demselben Metall gebildet wie das Substrat 12.
Bezugszeichenliste

10: Gasdiffusionselektrode
12: Flächiges Substrat
14: Erste Gasdiffusionsschicht
16: Zweite Gasdiffusionsschicht
18: Stromableiter
20: Gasdiffusionselektrode
30: Gasdiffusionselektrode
32: Zwischenschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/124713 A1 [0004, 0025]

Claims

Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) für die Reduktion und Bildung von Sauerstoff, insbesondere für eine sekundäre Metall-Luft-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) umfasst: - ein flächiges, elektrisch leitendes Substrat (12); - eine erste poröse Gasdiffusionsschicht (14) für die Sauerstoffreduktion, die auf dem Substrat angeordnet ist, und die ein erstes Katalysatormaterial und ein hydrophobes Bindemittel enthält; - eine zweite poröse Gasdiffusionsschicht (16) für die Sauerstoffbildung, die in Bezug auf das Substrat (12) oberhalb der ersten Gasdiffusionsschicht (14) angeordnet ist, und die ein zweites Katalysatormaterial enthält; und - mindestens einen Stromableiter (18), der die zweite Gasdiffusionsschicht (16) mit dem Substrat (12) elektrisch leitend verbindet, wobei die zweite Gasdiffusionsschicht (16) eine höhere Porosität und/oder eine geringere Hydrophobizität aufweist als die erste Gasdiffusionsschicht (14).
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach Anspruch 1, wobei die höhere Porosität der zweiten Gasdiffusionsschicht (16) durch einen höheren Volumenanteil an Poren und/oder durch einen größeren mittleren Porendurchmesser im Vergleich zur ersten Gasdiffusionsschicht (14) erreicht wird.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Volumenanteil an Poren bei der ersten Gasdiffusionsschicht (14) im Bereich von 40% bis 90% liegt und bei der zweiten Gasdiffusionsschicht (16) im Bereich von 40% bis 70%.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mittlere Porendurchmesser bei der ersten Gasdiffusionsschicht (14) im Bereich von 50 nm bis 50 µm und bei der zweiten Gasdiffusionsschicht (16) im Bereich von 500 nm bis 100 µm liegt.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Gasdiffusionsschicht (16) kein hydrophobes Bindemittel enthält oder einen im Vergleich zur ersten Gasdiffusionsschicht (14) geringeren Anteil eines hydrophoben Bindemittels.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Gasdiffusionsschicht (14) einen Anteil von 5 bis 15 Gew.% des hydrophoben Bindemittels enthält, bevorzugt von 8 bis 12 Gew.%.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das hydrophobe Bindemittel ausgewählt ist aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polyethylen (PE), wobei das Bindemittel bevorzugt PTFE ist.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Katalysatormaterial ein Metall mit einer hohen katalytischen Aktivität für die Sauerstoffreduktion umfasst oder vollständig aus diesem besteht, insbesondere Silber oder Platin.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach Anspruch 8, wobei das erste Katalysatormaterial ferner ein Metalloxid umfasst, das insbesondere ausgewählt ist aus Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄), Eisenoxid (Fe₃O₄), Cobalt-Nickel-Oxid (CoNio₂), Lanthan-Calcium-Cobalt-Oxid (La_xCa_1-xCoO₃), Rutheniumoxid (RuO₂), Iridiumoxid (IrO₂) und Mischungen hiervon.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach Anspruch 9, wobei das erste Katalysatormaterial einen Anteil an Metalloxid von 5 bis 20 Gew.%, bevorzugt von 10 bis 15 Gew.%, umfasst.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Katalysatormaterial ein Metall mit einer hohen katalytischen Aktivität für die Sauerstoffbildung umfasst oder vollständig aus diesem besteht, insbesondere aus Nickel.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach Anspruch 11, wobei das zweite Katalysatormaterial ferner ein Metalloxid umfasst, das insbesondere ausgewählt ist aus Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄), Eisenoxid (Fe₃O₄), Cobalt-Nickel-Oxid (CoNio₂), Lanthan-Calcium-Cobalt-Oxid (La_xCa_1-xCoO₃), Rutheniumoxid (RuO₂), Iridiumoxid (IrO₂) und Mischungen hiervon.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach Anspruch 12, wobei das zweite Katalysatormaterial einen Anteil an Metalloxid von 5 bis 60 Gew.%, bevorzugt von 15 bis 20 Gew.%, umfasst.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Gasdiffusionsschicht (16) keinen Kohlenstoff enthält, und insbesondere beide Gasdiffusionsschicht (14, 16) keinen Kohlenstoff enthalten.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (12) ein Metallnetz oder ein Streckmetall ist, insbesondere aus Edelstahl, Nickel, Silber, Gold oder Platin.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Stromableiter (18) in einem Randbereich der Gasdiffusionselektrode (10) angeordnet ist, und sich insbesondere entlang einer oder mehrerer Seitenränder der Gasdiffusionselektrode (10) erstreckt.
Gasdiffusionselektrode (10; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Stromableiter (18) aus einem Metall oder aus Kohlenstofffasern gebildet ist.
Gasdiffusionselektrode (20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Stromableiter (18) von der zweiten Gasdiffusionsschicht (16) überdeckt wird.
Gasdiffusionselektrode (10; 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Gasdiffusionsschicht (16) unmittelbar auf der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist.
Gasdiffusionselektrode (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei zwischen den beiden Gasdiffusionsschichten (14, 16) eine elektrisch leitende Zwischenschicht (32) angeordnet ist, die von dem mindestens einen Stromableiter (18) kontaktiert wird.