[發明專利]一種新型鎂空氣電池陰極

無效

• 申請號: 201010618666.5
• 申請日: 2010-12-31
• 公開（公告）號: CN102447115A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: 李忠芳;王素文
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 青島發思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 耿霞

技術領域

本發明屬于金屬空氣燃料電池、燃料電池領域，尤其涉及一種鎂空氣電池陰極。

背景技術

電動汽車以其清潔、環保受到人們的重視。然而由于動力電池的發展滯后使得動力電池成為電動車發展的瓶頸。近年來，金屬空氣電池作為車用電池的研究受到重視[毛宗強等，電源技術，1996，20(6)：252-266]。另外，局部地區的災害，電力一旦中斷，需要高功率的應急電源。所以，高功率的鎂空氣電池開發研究，不但能帶動電池行業的發展，而且能帶動電動汽車、電子產品等行業的發展，產生很好的經濟效益，而且對環保、搶險救災、通訊、軍、民用等，國家戰略需求具有重要意義[楊維謙等，電源技術，2005，29(3)：182-186]。

鎂合金空氣燃料電池是一種直接把鎂合金和氧氣(來自空氣)中的化學能連續地轉換成電能的電化學發電裝置，具有比能量高、原材料來源豐富、成本低、使用安全方便、無污染等特點備受重視。

通常的鎂空氣電池的陰極為氣體擴散電極，氧氣還原反應部位為催化劑表面的氣-固-液三相體系，要求有暢通的氣體傳輸通道，電子傳輸通道和氫氧根離子的傳輸通道。整個氣體擴散電極要求防水、透氣。通常采用的催化劑為Pt/C，鉑合金，銀等貴金屬催化劑。由于這類催化劑價格昂貴、資源受限等原因，所以，尋找高活性、低成本的非貴金屬催化劑的研究一直是鎂空氣電池領域研究的熱點問題之一。

目前，開發研究的非貴金屬催化劑主要有，鈣欽礦型氧化物催化劑、過渡金屬有機配合物(酞菁、卟啉過渡金屬配合物類)催化劑、MnO2催化劑等。

中國專利200910007104.4公開了一種開放式鎂合金空氣電池，有金屬陽極、金屬陰極和粘有催化劑透水層組成的電池，在噴水或雨天使用。中國專利200910010457.X公開了一種多陽極、多陰極的大容量金屬空氣電池的相互穿插的電池結構方案。中國專利00803126.6公開了一種以過渡金屬氫氧化物為催化劑的陰極的組成和結構，設計了一種電池系統。中國專利99815296.X公開了以Mn₂O₃/Mn₃O₄和MnO₂混合物作為陰極催化劑的金屬空氣電池。美國專利4091175公開了一種用于電化學電池的空氣電極，使用的催化劑為添加2％氫氧化鎳的Ag/C催化劑。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種新型鎂空氣電池陰極，該陰極采用的催化劑前體為緊密排列的平面聚合酞菁過渡金屬配合物。該類催化劑具有原料易得，合成簡便，成本低，催化活性更高、選擇性好和壽命更長等優點。

本發明一種新型鎂空氣電池陰極，包括多孔集流板，多孔集流板的一面為催化劑層，另一面為多孔疏水層，多孔疏水層由透氣防水材料制成，催化劑層由催化劑、溶劑、分散劑、粘結劑等混合物制成的膏狀物刷涂到集流板上固化而成，催化劑由催化劑前體經固載、活化形成，其特征在于所述催化劑前體為如下結構式的平面聚合酞菁配合物：

其中：M＝Fe2+，Fe3+，Co2+，Ni2+，Mn2+或Pt2+(指分子中未完成完整酞菁環的剩余部分，或帶有鄰二羧基的未完成完整酞菁環的剩余部分，聚合物是圖中四個完整酞菁環的重復。)該聚合物可簡寫為Poly-PcM。

本發明的陰極為透氣、防水的多孔擴散電極，外層為多孔疏水層，以保證氧氣透過和防止電解質溶液漏出。多孔集流板，可以用防腐處理過的銅網、泡沫鎳網或不銹鋼網、碳紙、碳布等。內層為多孔擴散電極催化劑層，催化劑采用新型緊密排列的平面聚合酞菁配合物(Poly-PcM)，固載，活化后得到的催化劑，分別用PTFE乳液、聚乙烯醇、環氧樹脂等粘結，熱壓制備催化劑層。所述多孔疏水層可用PTFE、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等疏水材料，制成多孔(孔隙率在75％-90％)、厚度為0.3-0.6mm的材料，疏水層的制孔方法可采用相轉移法、模板法等方法制備多孔材料，也可把多孔材料熱壓到集流板上。制孔劑可采用納米碳酸鈣、氯化銨、碳酸氫銨等固體顆粒。采取熱壓、噴涂等工藝制備。催化劑層厚度可為0.5～1mm。

催化劑前體Poly-PcM的合成方法和工藝如下：

采用均苯四酐、尿素、金屬鹽為原料，鉬酸銨為催化劑，用傳統的合成酞菁配合物的方法，可以液相法，也可以采用固相法。

液相法為：