[發明專利]一種金屬空氣電池陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201711278851.2
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN109888299B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 王二東;杜香龍;孫公權
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M12/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種金屬空氣電池空氣陰極，包括依次層疊的疏水擴散層、集流層和催化層，其特征在于：

所述集流層為填充有碳粉和疏水劑混合物的泡沫金屬，所述碳粉和疏水劑于泡沫金屬中的填充量為0.2-2.0mg/mm³；所述集流層的孔隙率為30%-70%；所述混合物中碳粉與疏水劑的質量比為1:4-4:1；

于疏水擴散層和催化層均含有疏水劑，所述疏水劑于陰極中形成連續網絡結構，且其于疏水擴散層、集流層和催化層中含量依次降低；所述疏水擴散層中疏水劑的含量為0.5-3mg/mm²；所述催化層中疏水劑的含量為0.05-0.5mg/mm²；所述催化層中含有氧還原催化劑；所述氧還原催化劑為Ag-MnO/C、Ag-Mn₃O₄/C、Ag-Mn₂O₃/C、Ag-MnO₂/C中的一種或兩種以上；所述催化層中催化劑的載量為0.1-0.8mg/mm²；

所述疏水擴散層與集流層的厚度比為3:1-6:1；所述催化層與所述集流層的厚度比為1：1-1:6。

2.如權利要求1所述金屬空氣電池空氣陰極，其特征在于：

所述泡沫金屬為泡沫銅、泡沫鎳、泡沫銀中的一種；所述碳粉為活性炭、乙炔黑、碳納米管中的一種或兩種以上；所述疏水劑為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一種或兩種。

3.一種權利要求1-2任一所述金屬空氣電池空氣陰極的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）集流層的制備：將疏水劑與碳粉混合后加入溶劑，攪拌均勻得碳粉/疏水劑混合膏體，將膏體刮涂或擠壓至填滿泡沫金屬孔隙得集流層；所述碳粉/疏水劑混合物于泡沫金屬中的填充量為0.2-2.0mg/mm³；所述混合物中碳粉與疏水劑的質量比為1:4-4:1；

（2）催化層的制備：采用輥壓法將含有疏水劑的催化劑漿料輥壓成催化層；輥壓過程為先調整滾軸間距，多次折疊反復輥壓成薄片，逐步減小滾軸間距至0.1-1mm；所述催化層中疏水劑的含量為0.05-0.5mg/mm²；

（3）疏水擴散層的制備：采用疏水劑乳液對碳纖維氈進行疏水化處理得疏水擴散層；疏水化過程為將碳纖維氈在PTFE乳液中浸漬后在50-90℃溫度下烘干，最后在300-350℃下焙燒1-5h；所述疏水擴散層中疏水劑的含量為0.5-3mg/mm²；

（4）陰極的制備：將疏水擴散層、集流層和催化層依次疊合并于2-30Mpa壓強下壓合不小于1min得金屬空氣電池陰極；金屬空氣陰極在300-400℃焙燒1-5h；所述步驟（1）-（3）制得的疏水擴散層、集流層和催化層中疏水劑含量依次降低。

4.如權利要求3所述金屬空氣電池陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟（1）中碳粉/疏水劑混合膏體的制備過程為將碳粉、疏水劑、有機溶劑充分混合，攪拌至所形成的膏體的密度為1g/cm^3-10g/cm³；所述泡沫金屬為泡沫銅、泡沫鎳、泡沫銀中的一種。

5.如權利要求4所述金屬空氣電池陰極的制備方法，其特征在于：所述碳粉為活性炭、乙炔黑、碳納米管中的一種或兩種以上；所述疏水劑為質量濃度10%-60%的疏水劑乳液；所述有機溶劑為乙醇、乙二醇中的一種或兩種以上，所述有機溶劑的加入量為與碳粉的質量比為3:1-15:1。

6.如權利要求3所述金屬空氣電池陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟（1）集流層的制備還包括集流層的后處理過程，具體為將所得集流層于10-30℃下晾干，并于200-400℃下焙燒1-8h。

7.如權利要求3所述金屬空氣電池陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟（2）催化層的輥壓制備過程為在輥壓機軸間距為0.1-1mm時，對含有疏水劑的催化劑漿料疊輥20-30次；在輥壓機軸間距依次縮小5%-30%的情況下，重復上述輥壓過程，至催化層厚度為0.1-0.5mm。

8.如權利要求3所述金屬空氣電池陰極的制備方法，其特征在于：

步驟（1）-（3）所述疏水劑為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一種或兩種；

步驟（2）所述催化層中含有氧還原催化劑；所述氧還原催化劑為Ag-MnO/C、Ag-Mn₃O₄/C、Ag-Mn₂O₃/C、Ag-MnO₂/C中的一種或兩種以上；所述催化劑的載量為0.1-0.8mg/mm²；

步驟（3）所述疏水擴散層的制備為將碳纖維氈浸漬于濃度為10%-60%的疏水劑乳液中，取出后于40-100℃下烘干，并于200-400℃下燒結，稱重并計算疏水劑含量，重復上述過程至疏水擴散層中疏水劑含量為20%-90%。