TWI258239B - Air electrode constituting multilayer sintered structure and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

1258239 玖'發明說明： 【發明所屬之技術領域】 …本發明係有關一種構成多層燒結結構的空氣電極及其製法，尤指使用 用途作為輕氣魏驗極使用，且可防止料氣電池内部的電解液受到 外在空氣環境影響的新穎空氣電極結構。 【先前技術】 純中的氧分子作為陰極反應物的鋅空氣電池(Zn/Air別），由 尤i靡^里的比能量(細此EnerSY)、及放電電壓穩定輸出的特點， 當廣泛，包括車用電池、及助聽器用電池等等，都可使用 為源，加上又具有環保和價格便宜等優勢，已經被視 氣乳電池’係使用金屬辞(Zn)為陽極，陰極則使用空氣中的氧 極又稱_極(__，而蓄存 且，這ϋϋΓ職用氫氧化鉀水溶液_s—)。而 和轉化為係利用空氣電極對空氣中的氧氣進行陰極化學反應 成的鋅陽ίίΓΓΓΙ—)後’再將由舞金屬混合物(辞裝、辞板或組 呀極氧化，喊生穩定放電電壓輸出。 因此由空氣電極’只是作為介質，本身並不會損耗， 空氣電池的電加鋅空氣電池的鋅陽《填量，使得鋅 化的目的。 bM(Speciflc此吻）因此增加，並藉此達成小型 阻礙鋅空氣電仙到外在空氣環境的影響，而 尤复目和縮短鋅空氣電池的使用壽命。 環境條件，係高溼Bi f轉無法長期保存。若外在的空氣 入到鋅空氣電過辞空氣電池的空氣電極，而進 種見象g k成電解液稀釋和導致放電電壓下 1258239 降’·反之，若外在的空氣環條件，係低渥 士 的電解液，就會透過空氣電極而 兄#，鋅空氣電池内部 致電池失效。 政失夂刀，進而造成電解液乾涸和導 【發明内容】 有鑑於此’本發明的主要目 氣電極，使用用途包括可作為鋅供—種構成多層燒結結構的空 利用構成至少具有料電池陰極或電容使用，且 減緩水分通過Λ 層的多層化隔絕結構，達成有效 陽極含水率無法長期保存的問題，可 ^ 3目^鋅空氧電池的鋅 境下，能夠促使鋅空氣電池的鋅 ^ ϋ言解:、’尤其在乾燥環 空氣電池能長期維持穩定的電性。3火羊保持長達一個月以上，使得鋅 度空氣電極，使得這種空氣電極作為辞空氣带2夕層”結構的高密 池内部的電解液受到外在空氣環境之影響，^彳^3= ’可防止電 水率能夠長期保持，尤苴在乾燥環a 工氣包池的鋅陽極含 持穩定電性利用率。 ％兄下，錢促使鋅空氣電池能夠長期維 【實施方式】 請參考第-圖至第三圖，本發明所示的空 多層燒結結構，具有減緩水分通過的效果，由—祕材U Ί成豐層狀的 〇層8122、Γ”^活化層13上下疊合構成。該‘極 燃料電Γ陰r3G·G g/Gm3 ’使_途包括可作騎‘電池: 本發明所示的空氣電極10，係以該基材u作為電流收华哭 基材11係以鎳網等金屬網製成，而且，口此’該 編織網或金屬發泡網。 4、_麵包含金屬絲網、金屬 :=才η的上下兩侧，則分別疊置±_層厚度狀2〜q· 8 s ’該基材11的下側，係構成一層以上的擴散層12的結構二^ 1258239 層驗層12係由疏水性礙材所構成。 極10作為鋅_池的==構所示的空氣電 揮令空氣絲擴散私，但W輕氣電^能夠發 化的功能，使得輕氣魏㈣㈣練不會 產生變 且可促進鋅空氣電池的辞陽極含水率能夠較長期保持。减減的影響， 而疊置在該基材η上側的擴散層12的外側， a 13辞且每層制匕層13係由附著有觸媒的親水性碳材所構成/。舌化 所示成的目的，係當本發明 ，…來催化氧氣進行陰極化學反應和轉化電 解液與陽極鋅金屬反應產生電流。苴中 巧^1根^且經由電 鹽類。 砾錳♦過渡金屬氧化物或 下各=明所揭示的空氣電極1〇，其製造流程係如第四圖所示，且包括以 =金屬，泡網或金屬絲網為基材u，製成空氣電㈣㈣電流收集器； b· ‘作空氣電極1〇的擴散層12 ; σσ b-l)使用乙快還原碳黑或煉焦碳黑等疏水性碳贱碳材，與聚 (PTFE)水性懸浮溶液黏合劑(binder)及去離子水，依2 : 1 : 3 : 1 : 50比例混合； 三考 卜2)接著，對混合聚四氟乙稀(PTFE)黏著劑的疏水性碳粉進行料乞 較佳的實施例，係烘乾至水分含量在4%以下； ” 卜3)完成烘乾後，將混合聚四氟乙烯⑽E)黏著劑的疏水性礙粉均句塗佈 於基材11的上下兩側，再以高壓方式加壓使疏水性碳粉密合； 卜4)對步驟b-3附著有疏水性碳粉的基材n，施以高溫(測—棚。c)加熱燒 結20〜40min，但較佳的實施例係以高溫（3〇〇_35〇它）加埶燒' = 20-40min，使得混合聚四氣乙烯(PTFE)黏著劑的疏水性碳粉，被= 成網狀結構的固定碳粉，並構成空氣電極1〇的擴散層12，再以輾 1258239 調整擴散層12的厚度至0. 2-0. 8mm ; b-5)如需製成二層以上擴散層結構，可重複b-3、b-4步驟操作，直到製成 所需多層結構； c.製作空氣電極10的活化層13 ; c-1)使用乙炔還原碳黑、煉焦碳黑、奈米碳管或奈米碳號角等親水性碳粉 或碳材，與聚四氟乙烯(PTFE)黏著劑及過渡金屬氧化物觸媒粉末，依 4 : 1 : 1或3 : 1 ·· 2比例混合，再加入水、曱醇或異丙醇作為溶劑，均 勻混合成混合漿料，其中，過渡金屬氧化物觸媒粉末，可選用鐵、銘、 鎳、錳等過渡金屬氧化物或鹽類； c-2)再以喷槍喷塗或其他塗佈方式將步驟c-i的混合漿料塗佈於基材n上 側的擴散層12表面上，即構成一層活化層13 ; c-3)對步驟c-2附著有擴散層12及活化層13基材n，施以高溫(2〇〇—4〇〇 °C)加熱燒結10〜60min，但較佳實施例係以高溫(35〇—4〇〇〇c)加熱燒結 20〜40min，使得混合聚四氟乙稀(PTFE)黏著劑及過渡金屬氧化物觸媒 粉末的親水性碳粉，被燒結成含有過渡金屬氧化物觸媒粉末的固定碳 粉，並構成空氣電極10的活化層13，再以輾壓機調整活化層13的厚 度至0· 2-0· 8mm後，即製成一種疊層狀的多層燒結結構的空氣電極1〇; c-4)如需製成二層以上活化層結構，可重複(>2、c—3步驟操作，直到完 所需多層結構。 ” ^ 實施例 本實施例的空氣電極1G，其結構係如第—圖所示，以細為基材u和 構成空氣電極ίο的電流收集器，該錄網的上下兩側各疊置一層擴散層12， 且該基材11上側的擴散層12的外面，再疊置上一層活化層13空^極 10的厚度為0.8mm，密度範圍為〇. 1〜3〇.〇 g/cm3， 其中，雜散層12的製法，係使用疏水性煉焦碳黑與聚讀乙稀(p 黏著劑及去離子水以3:1 : 50比例混合後烘乾，再塗佈於細的上下兩側， 經200X：燒結20min後而製成；而該活化層13的製法，係使用親水性 碳黑、聚四氟乙燁(PTFE)黏著劑、作為觸媒用途使用的過渡金屬氧化如 4:1:1比例混合，且加入約500倍重量的甲醇、異丙醇、去離子水混合稀釋 1258239 成混合漿料，再以喷搶噴、塗於鎳網上側的擴 lOmin後製成。 W政層12表面後，以棚。C燒結 電性===的丨進行電化學分析，包括空氣電極1ν 顯示本實施_獅_極1Q，作鱗_ t = 能夠長期維持穩定電性利用率。 足使鋅二*1電池 空氣電極IV電性测試（電流密度對電位之放電择描測試） 將本實施例所製成的空氣電極10以爽具 使用％/HgO電極為參考電極，Pt電極KOH水命液， 析，所得IV電性_結果，如;^學分析_分 10 電性測試結果，顯示本實施例所製成的空氣^^ 在彳Hg/HgO參考笔極測試的工作電壓低於一〇· 5V時，電流穷产已到 上，鄉，由本實施觸製成的空氣麻1G，可以ii催化氧 ϊΓΖϊί學反應和轉化為氫氧根離子，且經_電解液與陽極金屬 與-般較高密度或紐加卫啦氣或氣魏_ c氣體孔道遭到壓縮，而祕外部氣體無法姻_而3= 電極1G，*本倾靖製成的空氣 含水率測試·· ，本實施例的空氣電極1G置人金屬陰極外殼，外殼直徑8cm，平均 =Γ2個直徑0·85mm的透氣圓孔，並與隔離膜或高分子電解質、膠態 金链;、金屬陽極外殼共同組成鋅空氣電池。其巾，該職鋅陽極係由合 拌而^腐衡嘯 1、界面活性劑、增黏劑、腿水溶液以適當比例混合攪 將鋅空氣電池組裝完畢後，置於溫度25t及溼度20 _的乾燥空氣 1258239 中’經歷7天後’將鋅空氣電池分解，並使用含水率測 陽極的含水率⑽。C ’ 35min)，峨結果如第六圖所示/束泰协恶鋅 而比車乂例係廷用厚度為0. 3刪及〇· 4画具單層燒結 ^一般習用的單面空氣電極，並在相同條件下製成鋅空相 所示。 〇3水革（105C，.η) ’測試結果如第六圖 由第六騎示的膠態鋅陽極的含 氣電極W ’由於構成疊層狀的多層 乍==所製成的空 時，對於辞空氣電_辞陽極含水率確實具有魏的陰極使用 陽桎放電利用率測試·· 使用與測試勝態鋅陽極含水率相 度2〇 m的麵空氣中，經歷7天後，料放置於溫度肌及渥 電流下，測試鋅空氣電池的鋅陽極放電利_ 在卿20_的放電 其中，辞陽極放電利神係按照下列的公果如第七圖所示。 _放電利用率降 而比較例係選用厚度為0. 3咖及〇. 4咖 即，-般Μ的單面空氣電極，並在相同^結結構的空氣電極， 同條件下，測試辞空氣電池的辞陽極放電^用成鋅空氣電池’及在相 由第七圖所示的膠態鋅陽極放電利用測試結果如第七圖所示。 的空氣電極1D，由於構成疊層狀的多輕果，顯示本實施例所製成 置於乾燥空氣環境中的细率確有幫助—，構，對於延長鋅空氣電池放 1258239 【圖式簡單說明】 第圖係本發明所示的空氣電極的第一種疊層狀多層燒結結構示意 圏。 第-圖係本發明所示的空氣電極的第二種疊層狀多層燒結結構示意 圖。 第三圖係本發明所示的空_極的第三種疊層狀多層燒結結構示意 第四圖係本發明所示的空氣電極的製造流程圖。 第五圖係本發明所示的空氣電極的IV電性分析圖。 第’、圖鱗空氣電池細本發明所示_氣電極為陰極，與使用比較 例的-般白用單面空氣電極為陰極，經置於溫度肌，渔度2〇 之乾燥 空氣，中7天後，所測得的辞空氣電池的的鋅陽極含水率變化圖。 第七圖係鋅空氣電池使用本發騎示的空氣電極為陰極，與使用比較 ^ ^ ； «20 RH〇/^» 工亂中V後，所測得的鋅空氣電池的的鋅陽極利用率變化圖。 元件符號簡單說明 空氣電極.........10 基材...............11 擴散層............12 活化層............13 11

Claims (1)

1258239 拾、申請專利範圍： 1. 重構成夕層：U#結構的空氣電極，係由至少 和-層活化層上下疊合構成多層疊㊣ 層基材了層擴政層、 極的電流收集器，以金屬/、中，該基材係作為空氣電 分別疊置有-層由疏屬成，且絲材的上下兩側， 渡金屬氧化物觸媒的親水-母層活化層係由附著有過 2. 如申請專利範圍第1項 012. 0刪、密度為(u〜3() f m電極的厚度為 料電池陰極或電容使用。.且使用用途可作為鋅空氣電池、燃 3. ^請專利細第i項或第2項所述的 入 屬絲網、金屬職網或金屬舰網等金屬網製成。 材係以金 選用乙块還原碳黑或煉焦碳黑燒結ί成咖極’其中’母層擴散層係 6. 二請專，細第丨項或第2項職的空氣馳，其中，每層活化 7 ^j煉焦碳黑、奈米碳管或奈米碳號角燒結製成。曰、 7. 如申明專物丨項或第2項所述的空氣電極，盆中，該 8. 奈米碳管或奈米碳峨結製成。 a. 以金屬發^網或金屬絲網為基材，製成空氣電極的電流收集器； b. 使用乙炔還原碳黑或煉焦碳黑等疏水性碳 (灣水性懸浮溶液黏合劑及去離子水，依2 : i : 5。或二巧乙^ 3 ’對混合聚四氣乙稀(觸黏著劑的疏水性碳粉進行 ”=業，4烘乾後’舰合細氟㈣⑽Ε)黏賴的疏水❹ 粉均勾塗佈於步驟a的基材的上下_，構成-層擴散層；再=