[發明專利]空氣電極、空氣電極制備方法和鋁空氣電池

有效

• 申請號: 201611185216.5
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106654292B
• 公開（公告）日: 2019-12-06
• 發明（設計）人: 汪云華;和曉才;崔濤;金鑫;施學金;祁云一;袁野;周燕;劉艷;張戰勝
• 申請（專利權）人: 云南創能斐源金屬燃料電池有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 11201 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 趙天月<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明提出了空氣電極、空氣電極制備方法和鋁空氣電池。該空氣電極包括：擴散層；催化劑層，所述催化劑層設置在所述擴散層的一側，所述催化劑層包括碳納米管以及催化劑，且所述催化劑層中不含有粘結劑；以及集電層，所述集電層設置在所述擴散層以及所述催化劑層之間，或設置在所述催化劑層遠離所述擴散層的一側。該空氣電極由于催化劑層采用了具有較高電化學活性以及比表面積的碳納米管，且避免了在催化劑層中引入粘結劑，因此具有催化活性較高、電化學性能穩定、制備簡單、電極導電性能良好等優點的至少之一。

技術領域

本發明涉及材料領域，具體地，本發明涉及空氣電極、空氣電極制備方法和鋁空氣電池。

背景技術

空氣電池是化學電池的一種，利用空氣中的氧氣為氧化劑發生化學反應構成電池的一極，金屬電極為電池的另一極，將化學能轉化為電能，實現能量的供應。目前的空氣電池主要有鋰空氣電池、鋅空氣電池以及鋁空氣電池。空氣電池實現其能量轉化的一個重要步驟，即利用空氣電極，將空氣中的氧氣還原。因此，空氣電極的電化學性能以及穩定性，都稱為影響空氣電池電池性能的重壓因素。

然而，目前的空氣電極及其制備方法仍有待改進。

發明內容

本申請是基于發明人對以下事實和問題的發現和認識作出的：

目前的空氣電極中，普遍存在制備過程復雜、電化學性能以及催化性能不理想的問題。由于空氣電極需要將空氣中的氧氣還原，因此，空氣電極普遍具有負載有催化劑的催化劑層，以降低氧氣的還原電位。此外，空氣電極不僅要求其要具有良好的電化學性能，還要求電極表面要具有較為良好的氣體擴散性能，以便空氣(氧氣)能夠較為容易的在接觸到催化劑層。因此，現有的空氣電極通常需要將催化劑等電極材料進行多次輥壓、揉壓等處理，或反復涂刷在集流體、擴散層等結構表面，再進行成型處理，以實現空氣電極的制備。并且，由于催化劑材料多為粉體材料，因此在制備空氣電極的催化劑層時，需要將粘合劑以及催化劑材料混合并反復輥壓，以實現催化劑層的成型或是催化劑層與電極其他結構的粘合。而粘結劑材料通常為絕緣體，因此造成空氣電極實際的催化性能不能夠達到催化劑材料自身的催化性能，電極的整體電學性能也將受到負面影響。

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

在本發明的第一方面，本發明提出了一種空氣電極。根據本發明的實施例，該空氣電極包括：擴散層；催化劑層，所述催化劑層設置在所述擴散層的一側，所述催化劑層包括碳納米管以及催化劑，且所述催化劑層中不含有粘結劑；以及集電層，所述集電層設置在所述擴散層以及所述催化劑層之間，或設置在所述催化劑層遠離所述擴散層的一側。該空氣電極由于催化劑層采用了具有較高電化學活性以及比表面積的碳納米管，且避免了在催化劑層中引入粘結劑，因此具有催化活性較高、電化學性能穩定、制備簡單、電極導電性能良好等優點的至少之一。

根據本發明的實施例，所述催化劑層中，所述碳納米管的長徑比500:1～3000:1。發明人經過深入研究以及大量實驗發現，當采用長徑比在上述范圍內的碳納米管時，可以在不引入粘結劑的條件下，通過諸如簡單的輥壓成型處理形成催化劑層。

根據本發明的實施例，所述催化劑層包括由碳納米管經過一次輥壓成型處理而形成的碳納米紙。由此，可以簡化該空氣電極的制備過程，降低生產成本，有利于該空氣電極的推廣。

根據本發明的實施例，所述碳納米管在所述一次輥壓成型處理之前，表面預先負載有所述催化劑。由此，可以提高催化劑層負載催化劑的量以及催化劑負載的均勻程度，從而可以進一步提高該空氣電極的電極性能。

在本發明的第二方面，本發明提出了一種制備前面所述的空氣電極的方法。根據本發明的實施例，該方法包括：(1)制備催化劑層，所述催化劑層包括碳納米管以及催化劑，且所述催化劑層中不含有粘結劑；以及(2)將所述催化劑層與擴散層以及集電層進行壓合處理，以便獲得所述空氣電極。該方法操作步驟簡單，制備周期短，生產成本低廉，有利于空氣電極的推廣以及應用。