[發明專利]一種復合電極及其制備和應用

在審

• 申請號: 201811529969.2
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN111326742A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 王素力;孫瑞利;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;H01M4/90
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明為一種復合電極，包括涂敷于基底表面的電極，電極包括微孔層和電容?催化劑復合層；電容?催化劑復合層由導電高分子或導電高分子聚合物和離子導體的復合物、催化劑材料、離聚物構成；導電高分子或導電高分子聚合物和離子導體的混合物呈纖維狀結構，交聯呈網狀均勻分布于電容?催化劑復合層中。與現有技術相比，本發明所述復合電極的制備方法具有簡便，易于實施和規模化放大等特點，在燃料電池、生物醫療以及傳感等方面存在較大應用前景。

技術領域

本發明屬于電池領域，具體的說涉及一種復合電極及其制備方法和應用。

背景技術

因具有能量轉換效率高、環境友好、啟動便捷，燃料電池近些年受到國內外研究機構的廣泛關注。然而燃料電池的商業化應用面臨性能、壽命和成本等挑戰，這些挑戰與其具有較低的功率密度有關。

與燃料電池不同，超級電容器放電電荷為電極雙電層上移出或注入的電荷，或電吸附過程和電極表面氧化物薄膜(導電聚合物薄膜)氧化還原反應過程產生的電荷，其動力學過程較快，功率密度可達數千瓦每千克。但超級電容器在能量密度方面存在嚴重不足。

近些年，人們期望制備兼具高功率密度和能量密度的電池，而如何實現這類電池成為目前人們的研究熱點。很多科研人員利用超級電容器高功率密度和燃料電池高能量密度的優勢，將燃料電池與超級電容器進行外部組合。這種方法增加了系統的復雜性和成本，不利于商業化應用。

在燃料電池電極中引入高電容材料從而制備的復合電極，可在同一系統中實現燃料電池氧化還原反應和超級電容器的充、放電反應相結合，建設系統復雜性。

發明內容

本發明的目的在于制備一種復合電極，其具有較高電容性能以及電化學活性，可用于燃料電池、生物醫療、環境科學等方面。

為實現上述目的，本發明采用以下具體方案來實現：

一種復合電極的制備方法，包括過程：將碳粉和PTFE在溶劑中分散均勻，涂于基底表面，經干燥后獲得復合電極微孔層；將導電高分子或導電高分子聚合物和離子導體的復合物、催化劑材料、離聚物在溶劑中經超聲分散后形成導電高分子或導電高分子聚合物和離子導體的復合物、催化劑均勻分散的漿液，涂于基底表面，經干燥后獲得復合電極電容-催化劑層；導電高分子或導電高分子聚合物和離子導體的復合物與催化劑材料質量比例為0.05-1.2；離聚物于復合電極中的質量分數為5-50％。

所述導電高分子聚合物和離子導體的混合物制備過程如下：將導電高分子單體、離聚物、溶劑混合均勻，通過化學或電化學聚合方法，獲得導電高分子聚合物和離子導體的復合物；所述導電高分子單體為苯胺、吡咯、噻吩中的一種或者兩種以上；所述離聚物為Nafion或者磷酸有機物中的一種或者兩種以上；復合物中導電高分子聚合物和離子導體的質量比0.1-1.0。

所述導電高分子為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩的一種或者兩種以上；所述離聚物為Nafion或者磷酸有機物中的一種或者兩種以上；催化劑材料為負載型催化劑，活性成份為鉑、金、銀、鎳、鈷、釕、鐵、銅、鋅中的一種、或兩種以上、或兩種以上的合金；所述催化劑載體為XC-72、BP2000、乙炔黑、石墨烯及其衍生物、多孔碳材料、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一種或者兩種以上，催化劑中活性成份質量負載量為10-80％；

所述溶劑為水、乙醇、異丙醇、乙二醇、的一種或者兩種以上的混合物；

所述基底為碳紙、碳布、氣體擴散層、電解質膜、PTFE膜中的一種。

所述復合電極電容-催化劑層呈疏松多孔結構；導電高分子或導電高分子聚合物和離子導體的復合物均勻分布于電極內；導電高分子或導電高分子聚合物和離子導體的復合物直徑約為100-1000nm，長度為1μm以上；復合電極電容-催化劑層的孔平均直徑為10-100nm，孔隙率為20-85％；催化劑粒徑為2-20nm；所述電容-催化劑層厚度為1μm以上。