[發明專利]鋁-空氣電池用空氣電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201410731941.2
• 申請日: 2015-08-04
• 公開（公告）號: CN104505520A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 謝剛;田永;臧建;余強;徐俊毅;和曉才;李懷仁;姚云;柯浪;崔濤;賴浚;田林;徐慶鑫;魏可;余德慶;周廷熙
• 申請（專利權）人: 昆明冶金研究院
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 昆明正原專利商標代理有限公司 53100
• 代理人: 陳左

技術領域

本發明屬于電池技術領域，具體涉及一種鋁-空氣電池用空氣電極及其制備方法。

背景技術

鋁-空氣電池相比于其它電池體系，具有高能量密度的優勢，是鉛酸電池的8倍，鋰離子電池的2.7倍。其高能量密度的優勢與鋁金屬的性質有關。鋁是一種高能量載體，其理論能量密度為2980Ah/kg，僅次于金屬鋰3870Ah/kg，體積能量密度為8050Ah/m³，是鋰的4倍。

鋁-空氣電池的研究開始于20世紀60年代，S.Zaromb等人初步證實了鋁-空氣電池理論上的可行性。70年代，學者們的研究集中于將鋁-空氣電池應用到航海航標燈、電視廣播、礦井照明等電源中。后來，Dow及LLNL等化學公司組建了Voltek公司，開始研發可應用于電動汽車中的動力型鋁-空氣電池VoltekA-2，獲得了世界上首個用于推動電動汽車的金屬-空氣電池系統。到了80年代，加拿大的AluminumPower公司、挪威國防研究所、美國水下武器研究中心等多家科研單位著手研究將鋁-空氣電池應用于AIP潛艇、深海救援艇及無人水下航行器中，并獲得了廣泛的應用。

鋁空氣電池的正極為空氣電極，即以空氣中的氧氣為活性物質，發生的電化學反應過程為:

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

催化劑材料是空氣電極的關鍵，決定著空氣電極電化學反應的極化性質，對電池的電位、工作電位有決定性的影響。貴金屬催化劑是使用較早、較普遍的催化劑材料，但其價格昂貴，不能實現大規模的應用。錳氧化物具有良好的氧還原催化性能，且資源豐富、易于市場化應用，且通過納米化、形貌控制、摻雜改性、碳復合等方法對材料進行設計后，可達到與貴金屬催化劑相媲美的催化效果，是貴金屬催化劑的良好替代品。

發明內容

本發明是鑒于上述實際情況進行的，目的在于為鋁-空氣電池體系提供一種大電流放電性能良好的空氣電極。

本發明采用的技術方案如下：

一種鋁-空氣電池用空氣電極，由防水透氣層、催化層、集流體層三層以不同序列疊合而成。

本發明技術方案中所述催化層包括電極催化材料、導電材料和粘結劑材料，其中按所述電極催化材料、導電材料和粘結劑材料的總量為100%重量為計，電極催化材料占30-90%，導電材料占5-30%，粘結劑材料占5-40%。

本發明技術方案中所述電極催化材料至少包含一種以上具有氧還原催化能力的錳氧化合物或錳氧化合物改性后材料。

進一步，優選的是所述電極催化材料采用的錳氧化合物或錳氧化合物改性后材料為α、β、γ、δ晶型結構的MnO₂、被金屬晶格摻雜的MnO₂改性材料和與碳材料復合的MnO₂改性材料中的一種或幾種，其具體比例不做要求。

進一步，優選的是所述的金屬為鈷、鈰、鎳、鐵或鈮；所述的碳材料為碳納米線、碳納米管或碳納米纖維。

本發明技術方案中所述粘結劑材料為聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚乙烯（PE）中的一種或幾種，其具體比例不做要求。

本發明技術方案中所述導電材料為乙炔黑、多孔碳、碳納米管、碳纖維、碳微球、金屬纖維、金屬微球中的一種或幾種，其具體比例不做要求。

本發明技術方案中所述防水透氣層、催化層和集流體層三層通過輥壓、熱壓或涂布方法進行疊合。

本發明還提供一種鋁-空氣電池用空氣電極催化層的制備方法，是將電極催化材料和導電材料用有機溶劑分散，再向其中緩慢加入粘結劑材料乳液，攪拌均勻得到團狀物，將團狀物反復輥壓得到催化層。

本發明另外提供一種鋁-空氣電池用空氣電極催化層的制備方法，是將電極催化材料、導電材料及粘結劑材料在有機溶劑中研磨分散，得到均勻粘稠漿料，再涂布在集流體層或防水透氣層表面得到催化層。

本發明與現有技術相比，其有益效果為：

（1）MnO₂材料與貴金屬催化材料相比，價格低廉，資源廣泛，適宜于規模化商業應用。

（2）通過控制晶型、金屬摻雜、碳復合等手段，得到的改性二氧化錳材料可以得到與貴金屬催化劑相當的催化效率，可為鋁-空氣電池提供更高的功率。

（3）本發明中提供的催化電極制備方法，具有簡便、高效、清潔的特點，不會帶來環境污染。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步的詳細描述。