[發明專利]一種基于硼氮碳三元共價復合材料的空氣陰極及其制備方法和鋅空氣二次電池

有效

• 申請號: 201710034232.2
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106654295B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 李穎;馬曉蘭;劉松琴
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;H01M12/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳國強

本發明公開了一種基于硼氮碳三元共價復合材料的空氣陰極及其制備方法和鋅空氣二次電池，所述空氣電極依次由集流體、防水透氣層與催化層通過粘結劑結合組成，所述集流體為經疏水處理的碳紙，所述防水透氣層為乙炔黑，所述催化層為碳黑為基底的硼氮碳三元共價復合材料。本發明提供的空氣陰極具有高疏水性、高導電性、高催化性及高穩定性能。

技術領域

本發明涉及鋅空氣電池領域，尤其是一種新穎的催化劑材料的合成，鋅空氣二次電池器件的設計制作、氣體擴散電極的優化及其制備方法。

背景技術

鋅空氣電池作為金屬一空氣電池中的一種，以氧氣作正極活性物質，電極電位較負的金屬鋅作負極，中性或者堿性的電解質水溶液作為電解液。鋅空氣電池分為一次電池與二次電池。與一次電池相比，鋅空氣二次電池既具有蓄電池又具有燃料電池的特點，其比能量高、比容量好、性能穩定、放電平穩、存儲時間長以及使用安全對生態安全污染小，因此具有極大的市場前景。

但是鋅空氣電池依然存在嚴重不足，比如氣體擴散電極導電性能差、催化效率低、大電流放電不穩定、放電時間不夠長等，嚴重限制了鋅空氣電池的發展。鋅空氣二次電池在充放電過程中電極體積與結構之間還會發生不可逆變化，導致電極材料膨脹、掉粉，影響其使用壽命。決定鋅空氣二次電池性能的關鍵因素是電極材料。目前，市場上普遍應用的電極材料是貴金屬鉑及其合金材料，鉑金屬成本高，在世界范圍內資源匱乏，難以大范圍的普及應用。硼氮碳三元共價復合材料對氧還原反應的催化電流密度與商業Pt/C相當；對氧析出反應的起峰電位和極限電流密度優于商業Pt/C，是一種性能優越的雙功能催化劑。硼氮碳三元共價復合材料具有多孔結構，能夠提供大的活性表面，其電子轉移數接近于四，表明氧氣還原過程主要是四電子路徑，氧氣直接被還原成OH^-，提高了氧氣還原過程中電子傳遞的效率，降低了電極的極化，從而提高了電池的輸出電壓和輸出功率。

鋅空氣二次電池器件的設計對電池使用過程中的維護和保養也起著重要的作用。如何制作不漏液、易拆卸及易替換電解液與鋅片的器件，如何制備透氣性好、疏水性高、導電性高和催化性高的空氣陰極，以及如何將硼氮碳三元共價復合材料加入到鋅空氣二次電池，改善電池導電性差、催化效率低、大電流放電不穩定的問題，是本發明要解決的問題。

發明內容

本發明的一個目的在于克服現有技術不足，提供一種具有高疏水性、高導電性、高催化性及高穩定性能的基于硼氮碳三元共價復合材料的空氣電極及其制備方法。

本發明的再一個目的是提供一種密封性好、易拆卸及易替換電解液與鋅片的鋅空氣二次電池。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于硼氮碳三元共價復合材料的空氣電極，所述空氣電極依次由集流體、防水透氣層與催化層通過粘結劑結合組成，所述集流體為經疏水處理的碳紙，所述防水透氣層為乙炔黑，所述催化層為以碳黑為基底的硼氮碳三元共價復合材料。

所述硼氮碳三元共價復合材料為直徑210nm、壁厚為20nm的小球。

所述硼氮碳三元共價復合材料是通過如下方法制備而得的:

合成可被剝離的模板球，在模板球的水溶液中加入樹脂酚、對羥基苯硼酸和醛，在0-3MPa的壓力下反應，冷卻,在反應液中加入氮源,攪拌12-24h,加熱至25℃-45℃除去水分,然后在溫度600℃-1100℃下復合存有硼碳元素的納米球與氮源的混合物,得到硼氮碳三元素復合納米球材料,再將模板剝離后離心、洗滌、干燥，得到硼氮碳三元共價復合材料。

所述粘結劑為聚四氟乙烯乳液。

一種基于硼氮碳三元共價復合材料的鋅空氣二次電池，包括鋅陽極、電解液和空氣電極，其特征在于：所述空氣電極依次由集流體、防水透氣層與催化層通過粘結劑結合組成，所述集流體為經疏水處理的碳紙，所述防水透氣層為乙炔黑，所述催化層為碳黑為基底的硼氮碳三元共價復合材料。