[發(fā)明專(zhuān)利]金屬空氣電池用陰極及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110421438.3
• 申請(qǐng)日: 2011-12-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103165902A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫公權(quán);王二東;舒朝著;王素力;谷順學(xué)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/86
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/86;H01M8/02;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬空氣電池用陰極，具體地說(shuō)是一種用于鎂、鋁、鋅等金屬空氣電池用陰極；

本發(fā)明還涉及上述陰極的制備方法。

背景技術(shù)

金屬空氣電池是一種采用金屬(如鎂、鋁、鋅等)為陽(yáng)極燃料，空氣中氧氣作為氧化劑，堿液或中性鹽水作為電解質(zhì)溶液的電化學(xué)反應(yīng)裝置。我國(guó)鎂、鋁、鋅等金屬儲(chǔ)量豐富、且價(jià)格低廉，因此金屬空氣電池在我國(guó)通訊電源、野外應(yīng)急電源、照明電源及儲(chǔ)備電源等可移動(dòng)電源的諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作為可移動(dòng)電源，性能和穩(wěn)定性是兩個(gè)重要指標(biāo)。而對(duì)于金屬空氣電池，陰極是影響電池性能和穩(wěn)定性重要部件之一。陰極制備技術(shù)也是金屬空氣電池的核心技術(shù)，國(guó)際上很多國(guó)家也將相關(guān)技術(shù)保密而不予公開(kāi)。因此，開(kāi)發(fā)高性能、良好穩(wěn)定性的陰極，對(duì)于金屬空氣電池的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的金屬空氣電池陰極制備方法是通過(guò)機(jī)械方法壓制多層復(fù)合結(jié)構(gòu)(一般為，載有催化劑的碳紙-鎳網(wǎng)-載有催化劑的碳紙-聚四氟乙烯微孔膜加壓復(fù)合而成)，使用這種方法制備的電極結(jié)構(gòu)難于優(yōu)化，催化劑利用效率低、極化較大，從而導(dǎo)致性能較差。

在泡沫鎳中填充碳和疏水材料(如PTFE)作為擴(kuò)散層，可制備堿性條件下使用的空氣電池的陰極。由于該陰極結(jié)構(gòu)需兼顧氣體擴(kuò)散與電子傳輸，因此，擴(kuò)散層中疏水材料含量不宜過(guò)高。然而，當(dāng)將上述陰極在采用中性鹽(如NaCl水溶液)為電解質(zhì)的金屬/空氣電池中使用時(shí)，由于Cl^-的存在，使得以泡沫鎳作支撐材料和集流體的電極腐蝕嚴(yán)重，壽命顯著縮短。目前，國(guó)內(nèi)外所采用的陰極大多沿用堿性金屬空氣電池所用陰極，還未見(jiàn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)NaCl水溶液對(duì)陰極集流體鎳腐蝕問(wèn)題的研究報(bào)道。而金屬空氣電池陰極材料的導(dǎo)電性和耐腐蝕性也成為制約電極性能提高和使用壽命增長(zhǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有金屬空氣電池陰極技術(shù)的不足，提出一種新型碳纖維氈基陰極結(jié)構(gòu)及其制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下具體方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種金屬空氣電池用陰極，包括依次疊合設(shè)置的催化層、疏水?dāng)U散層和集流層；

催化層由催化劑和憎水劑混合而成，以碳載錳氧化物為催化劑，PTFE為憎水劑；

疏水?dāng)U散層為經(jīng)PTFE乳液憎水化處理后的碳纖維氈；集流層為泡沫鎳。

所述碳載錳氧化物為MnO/C、Mn₃O₄/C、Mn₂O₃/C、MnO₂/C中的一種或二種以上的混合物，催化層中催化劑擔(dān)載量為2-10mg?cm^-2，PTFE含量為10-40％。

所述碳纖維氈的厚度為2-10mm；所述PTFE占疏水?dāng)U散層總質(zhì)量的40-85％。

所述陰極的制備方法，包括以下三個(gè)步驟，

(1)疏水?dāng)U散層的制備：

a.以水為溶劑配置濃度為10-50％的PTFE乳液；

b.選用厚度為2-10mm的碳纖維氈，并對(duì)其稱(chēng)重；

c.將上述步驟(1)b所述碳纖維氈浸漬于上述步驟(1)a配置好的PTFE乳液中，取出后在30℃-200℃下烘干，稱(chēng)重并計(jì)算PTFE含量；

d.重復(fù)上述步驟(1)c至PTFE含量達(dá)40-85％，即得疏水?dāng)U散層；

(2)催化層的制備：

a.于乙醇中加入碳載錳氧化物催化劑，攪拌使之混合均勻后，逐滴加入濃度40-60％的PTFE乳液，攪拌使之混合均勻以形成催化劑漿液；

b.采用刷涂、或刮涂、或噴涂、或滾壓的方法將上述步驟(2)a所得催化劑漿液涂布于步驟(1)所得疏水?dāng)U散層上，至催化劑載量為1-10mgcm^-2后，于340℃-360℃條件下高溫?zé)Y(jié)30-60分鐘，得基于疏水?dāng)U散層的催化層；

(3)陰極的制備：

a.剪裁與碳纖維氈相同形狀和尺寸的泡沫鎳，并將其置于步驟(2)所得催化層的疏水?dāng)U散層表面；

b.于5-20MPa的壓強(qiáng)下將上述步驟(3)a中放置好的泡沫鎳和催化層于80℃-200℃壓合1-10min，取出后得金屬空氣電池用陰極。

所述步驟(2)a中所述碳載錳氧化物為MnO/C、Mn₃O₄/C、Mn₂O₃/C、MnO₂/C中的一種或二種以上的混合物。

所述步驟(2)a中每100毫升乙醇加入碳載錳氧化物的質(zhì)量為20-50毫克。