[發(fā)明專利]用于金屬/空氣電池的正極和制造該正極的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611181590.8
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106898779B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: O·賴瑙爾;M·斯塔爾德;F·組里格
• 申請（專利權(quán)）人: 斯沃奇集團(tuán)研究和開發(fā)有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M12/06
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所 11247
• 代理人: 唐秀玲;林柏楠

本發(fā)明涉及用于金屬/空氣電池的正極(1)，其包含至少一個在活性材料中產(chǎn)生且具有空氣側(cè)(A)和金屬側(cè)(M)的活性層(2)，集電體(3)，和在疏水性材料中產(chǎn)生且沉積到活性層(2)的空氣側(cè)(A)上的疏水性膜(4)。所述疏水性材料具有多孔結(jié)構(gòu)并滲透到活性層(2)的空氣側(cè)(A)中以在疏水性膜(4)與活性層(2)之間形成疏水性材料在活性材料中的滲透區(qū)(Z)，其中存在疏水性材料的濃度梯度，其在空氣進(jìn)入正極的進(jìn)入方向上降低。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于金屬/空氣電池的正極(cathode)，其包含至少一個在活性材料中產(chǎn)生且具有空氣側(cè)和金屬側(cè)的活性層，集電體，和在疏水性材料中產(chǎn)生且沉積到活性層的空氣側(cè)上的膜。本發(fā)明還涉及制造該正極的方法，以及包含該正極的金屬/空氣電池。

發(fā)明背景

用于金屬/空氣電池的正極通常用于紐扣電池中。它具有圓盤形狀，位于外殼中提供的通風(fēng)孔下面?？諝鈹U(kuò)散紙通常位于外殼與正極之間。與其它類型的電池相反，金屬/空氣電池中的正極應(yīng)當(dāng)僅儲存電池的即時需求所需的量的電活性材料(通常氧氣)，其余通過通風(fēng)孔由外部一點(diǎn)一點(diǎn)地置換。為此，正極可由非常薄的條生產(chǎn)，容許電池的大部分體積可用于負(fù)極(anode)(例如在鋅/空氣電池的情況下，鋅)。

金屬/空氣電池的正極由至少一個集電體(例如鎳網(wǎng))形成，其引導(dǎo)電子從電池的外殼至催化劑、空氣和電解質(zhì)以及幫助電子轉(zhuǎn)向氧氣的催化劑，將其還原以形成氫氧化物，因此產(chǎn)生電流。該催化劑為例如錳的氧化物。

生產(chǎn)金屬/空氣電池的正極的困難源自這一事實(shí)：催化劑必須同時與集電體(固體)、空氣(氣體)和電解質(zhì)(液體)接觸。成功地使這三個相共同存在于最大可能表面上是特別復(fù)雜的。為解決該問題，增加空氣、電解質(zhì)和催化劑之間的界面，因此改進(jìn)電池的功率的一種方案在于賦予正極一定疏水性。正極組合物中疏水性添加劑的添加使得可避免整個正極被電解質(zhì)淹沒，因此留下空氣更好地滲透到正極中的空間。為此，通常使用疏水性粘合劑，例如粉末或水分散體形式的聚四氟乙烯(PTFE)。該疏水性粘合劑的添加使得可作為PTFE濃度的函數(shù)提高正極的功率，但是僅提高至最佳濃度(通常15-20％)，超過該值，電池的功率降低。該功率損失是由于PTFE在整個正極中的均勻分散，這具有降低導(dǎo)電率(由碳顆粒形成的網(wǎng)絡(luò)的滲透被PTFE間斷)和同樣降低正極中電解質(zhì)的量的作用。

增加空氣、電解質(zhì)和催化劑之間的界面的另一方案由使用具有多孔結(jié)構(gòu)的正極組成，這使得電解質(zhì)和空氣更好地滲透到正極中。通常，該多孔結(jié)構(gòu)通過使用各種導(dǎo)電顆粒如導(dǎo)電碳(炭黑、石墨等)的顆粒的混合物得到。

該正極描述于例如專利申請US 2014/0308594中。根據(jù)該文件，正極包含具有多孔結(jié)構(gòu)的活性層，其孔隙率在正極的空氣側(cè)與金屬側(cè)之間降低。描述了各種制造方法，其使得可得到具有在活性層厚度上的孔隙率梯度而不是均勻多孔結(jié)構(gòu)的活性層。該孔隙率梯度是由于正極的活性層材料的固有孔隙率的變化，在其制造期間控制它。

專利FR 2785093同樣描述了活性層具有孔且包含石墨顆粒的正極，其平均尺寸大于活性層的孔的平均直徑。此外，正極包含擴(kuò)散層，所述擴(kuò)散層為沉積到活性層的空氣側(cè)上的疏水性膜。該疏水性膜為類型的，其由膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)制成。該正極通過制備糊形式的活性層，然后將糊涂布于集電體的一面上而得到。將類型的膜應(yīng)用于另一面上。然后將正極干燥并擠壓。在該正極中，疏水性膜由于其結(jié)構(gòu)而保持恒定厚度，且其唯一的作用是使正極表面更加疏水性以提高它對淹沒的抗性。

在商業(yè)電池中，金屬/空氣電池，主要是鋅/空氣電池由于它們的最高能量密度，目前用于聽覺設(shè)備中。對于該應(yīng)用，金屬/空氣電池必須每星期置換，因此在其壽命方面不是最佳化的，但在其功率方面是最佳化的。然而，對于涉及原電池的非常高電流峰值的應(yīng)用如智能手表(connectedwatches)，需要得到具有更大功率的電池。金屬/空氣電池的功率受其正極限制，需要開發(fā)正極使得可得到電池功率的提高，電池功率在時間過程中僅輕微降低，因此變得在鐘表制造應(yīng)用中有用正極。