[發(fā)明專利]含有石墨烯和/或碳納米管的空氣電極及其制備方法和金屬空氣電池

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710325065.7
• 申請(qǐng)日: 2017-05-10
• 公開（公告）號(hào): CN107240703A
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉丹憲;楊維謙
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 新材料與產(chǎn)業(yè)技術(shù)北京研究院
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88;H01M12/06
• 代理公司: 北京潤(rùn)平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11283
• 代理人: 嚴(yán)政,劉依云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及空氣電池領(lǐng)域，具體涉及一種含有石墨烯和/或碳納米管的空氣電極及其制備方法和金屬空氣電池。

背景技術(shù)

金屬空氣電池是一種以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，以金屬鋅、鋁、鎂等活性金屬作為負(fù)極，堿性或中性鹽溶液作為電解液，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的新型燃料電池?？諝怆姌O是一種透氣但不透液，能導(dǎo)電且有催化活性的薄膜，它在金屬空氣電池中催化層側(cè)接觸電解液，防水透氣層側(cè)接觸空氣，空氣中的氧氣通過空氣電極擴(kuò)散到達(dá)氣-液-固的三相界面，發(fā)生氧的還原反應(yīng)，同時(shí)金屬負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電池釋放出電能。金屬空氣電池具有能量密度高，容量大、成本低、放電穩(wěn)定的特點(diǎn)，且正極活性物質(zhì)氧氣用之不盡，環(huán)境友好，被認(rèn)為是未來(lái)很有發(fā)展應(yīng)用前景的新能源電池。但是，金屬空氣電池依然存在不足，如空氣電極的導(dǎo)電性差，從而限制了金屬空氣電池的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的金屬空氣電池存在上述問題，提供一種含有石墨烯和/或碳納米管的空氣電極及其制備方法和金屬空氣電池。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)，將石墨烯和/或碳納米管加入到催化層中，可以改善空氣電極的導(dǎo)電性，提高金屬空氣電池的放電性能。

由此，本發(fā)明一方面提供一種含有石墨烯和/或碳納米管的空氣電極，該空氣電極包括依次層疊的催化層、集流體和防水透氣層，其中，所述催化層含有導(dǎo)電劑A、催化劑和粘結(jié)劑A，所述導(dǎo)電劑A包括石墨烯和/或碳納米管。

本發(fā)明第二方面提供一種含有石墨烯和/或碳納米管的空氣電極的制備方法，其中，該制備方法包括以下步驟：

(1)將導(dǎo)電劑A、催化劑、粘結(jié)劑A與無(wú)水乙醇混合，并將得到的混合物壓制成膜片，將所述膜片在無(wú)水乙醇中萃取，然后干燥，得到催化層，其中，所述導(dǎo)電劑A包括石墨烯和/或碳納米管；

(2)提供防水透氣層；

(3)將步驟(1)制備得到的催化層、集流體和所述防水透氣層進(jìn)行依次層疊，然后壓制成型。

本發(fā)明第三方面提供一種金屬空氣電池，該金屬空氣電池包括正極和負(fù)極，其中，所述正極為本發(fā)明所述的空氣電極和由本發(fā)明所述的制備方法制備的空氣電極中的任意一種空氣電極，所述負(fù)極為鋅、鋁和鎂中的一種。

本發(fā)明的含有石墨烯和/或碳納米管的空氣電極，其中，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，碳納米管具有獨(dú)特的中空纖維結(jié)構(gòu)、高比表面積、良好的導(dǎo)電性，從而使得所述空氣電極具有高導(dǎo)電性，使得金屬空氣電池具有高的放電性能。并且，由于石墨烯和碳納米管都具有良好的導(dǎo)熱性，因此，本發(fā)明的含有石墨烯和/或碳納米管的空氣電極還具有良好的導(dǎo)熱性，從而避免空氣電池在大電流放電時(shí)出現(xiàn)發(fā)熱的問題。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1-5和對(duì)比例1制備的空氣電極在金屬空氣電池中的放電曲線圖。

具體實(shí)施方式

在本文中所披露的范圍的端點(diǎn)和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應(yīng)當(dāng)理解為包含接近這些范圍或值的值。對(duì)于數(shù)值范圍來(lái)說(shuō)，各個(gè)范圍的端點(diǎn)值之間、各個(gè)范圍的端點(diǎn)值和單獨(dú)的點(diǎn)值之間，以及單獨(dú)的點(diǎn)值之間可以彼此組合而得到一個(gè)或多個(gè)新的數(shù)值范圍，這些數(shù)值范圍應(yīng)被視為在本文中具體公開。

本發(fā)明一方面提供一種含有石墨烯和/或碳納米管的空氣電極，該空氣電極包括依次層疊的催化層、集流體和防水透氣層，其中，所述催化層含有導(dǎo)電劑A、催化劑和粘結(jié)劑A，所述導(dǎo)電劑A包括石墨烯和/或碳納米管。

根據(jù)本發(fā)明，為了進(jìn)一步提高空氣電極的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，優(yōu)選情況下，所述石墨烯的粒徑＜1μm，進(jìn)一步優(yōu)選為0.3-0.5μm；片徑＜15μm，進(jìn)一步優(yōu)選為3-10μm；比表面積＞100m²/g，進(jìn)一步優(yōu)選為150-300m²/g；優(yōu)選地，所述碳納米管的粒徑≤1μm，進(jìn)一步優(yōu)選為0.1-0.5μm；碳管長(zhǎng)度≤5μm，進(jìn)一步優(yōu)選為2-4μm；比表面積＞200m²/g，進(jìn)一步優(yōu)選為250-400m²/g。

根據(jù)本發(fā)明，所述導(dǎo)電劑A中可以包括石墨烯和碳納米管的任意一種，或者石墨烯和碳納米管的混合物，優(yōu)選地，所述導(dǎo)電劑A包括石墨烯和碳納米管，且石墨烯與碳納米管的重量比為1-10：1。