[發明專利]一種金屬空氣電池用陰極及制備方法

無效

• 申請號: 201210563520.4
• 申請日: 2012-12-21
• 公開（公告）號: CN103151530A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 孫公權;王二東;舒朝著
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及金屬/空氣電池空氣電極結構，具體地說是一種用于鎂、鋁、鋅等金屬/空氣電池用空氣電極結構及制備工藝。

背景技術

金屬/空氣電池是一種金屬（如鎂、鋁、鋅等）作為陽極燃料，空氣中氧氣作為氧化劑，堿液或中性鹽水為電解質溶液的電化學反應裝置。我國鎂、鋁、鋅等金屬儲量豐富、且價格低廉，因此金屬/空氣電池在電動汽車、通信電源、野外應急電源、照明電源及儲備電源等可移動電源的諸多領域具有廣闊的應用前景?？諝怆姌O是影響金屬/空氣電池性能的重要部件之一。空氣電極結構和制備工藝也是金屬/空氣電池的核心技術，對金屬/空氣電池的工程開發和實際應用具有十分重要的意義。

金屬/空氣電池在空氣電極上發生氧還原反應，三相反應界面是發生上述反應的場所，三相反應界面面積對空氣電極的性能具有較大的影響。傳統的金屬空氣電池陰極制備方法是通過機械方法壓制多層復合結構(一般為，載有催化劑的碳紙-鎳網-載有催化劑的碳紙-聚四氟乙烯微孔膜加壓復合而成)，使用這種方法制備的電極結構難于優化，催化劑利用效率低、極化較大，從而導致性能較差。為提高金屬/空氣電池空氣電極的性能，增加三相反應界面面積是重要途徑之一。

發明內容

本發明在現有金屬/空氣電池空氣電極的基礎上，提供了一種立體式金屬/空氣電池用空氣電極結構和制備方法。

為實現上述目的，本發明采用以下具體方案來實現：

一種金屬空氣電池用陰極，包括依次疊合的催化層、疏水擴散層和集流層；

催化層以碳載錳氧化物為催化劑，PTFE為憎水劑；疏水擴散層為經PTFE乳液憎水化處理后的石墨化碳纖維氈；集流層為泡沫鎳。

所述碳載錳氧化物為MnO/C、Mn₃O₄/C、Mn₂O₃/C、MnO₂/C中的一種或一種以上的混合物，催化劑中錳氧化物占催化劑總質量的10-70％，催化層中催化劑擔載量為1-10mgcm^-2，PTFE含量為10-40％；

所述石墨化碳纖維氈的厚度為2-10mm；PTFE占疏水擴散層總質量的40-85％。

所述陰極的制備方法，包括以下步驟：

（1）疏水擴散層的制備：

a．以水為溶劑配置濃度為10-70％的PTFE乳液；

b．選用厚度為2-10mm的石墨化碳纖維氈，并對其稱重；

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°C-200°C下烘干，稱重并計算PTFE含量；

d．得疏水擴散層；或，重復上述步驟（1）c至PTFE含量達40-85％，即得疏水擴散層；

（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20-60％的PTFE水乳液，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）所得疏水擴散層上，至催化劑載量為1-10mgcm^-2后，于340°C-360°C條件下高溫燒結10-300min，得基于疏水擴散層的催化層；

（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）所得催化層的疏水擴散層表面；

b．于5-20MPa的壓強下，將泡沫鎳和基于疏水擴散層的催化層于80°C-200°C壓合1-10min，取出后得金屬空氣電池用陰極。

步驟（2）a中所述碳載錳氧化物為MnO/C、Mn₃O₄/C、Mn₂O₃/C、MnO₂/C中的一種或一種以上的混合物；

步驟（2）a中每100毫升乙醇加入碳載錳氧化物的質量為20-50毫克。

步驟（2）a所述催化劑漿液中，PTFE與碳載錳氧化物催化劑的質量比為1:9-2:3。

與現有技術相比，本發明所述立體式金屬/空氣電池用陰極具有以下優點：

1.本發明通過制備工藝的改進，有效提高金屬/空氣電池空氣電極的比表面積；

2.本發明制備的電極有助于降低電解液的滲漏；

3.本發明制備的電極大幅度提高了電極性能；

4.本發明制備方法簡單，可用于方法生產，大批量制備。

附圖說明