[發(fā)明專利]一種氧-金屬電池的多孔碳納米金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)空氣電極

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911031116.0
• 申請日: 2019-10-28
• 公開（公告）號(hào): CN110739464B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙效銘
• 申請（專利權(quán)）人: 趙效銘
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;H01M4/96;H01M12/06
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明

一種氧?金屬電池的多孔碳納米金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)空氣電極，可用于氧?金屬電池。通過向氧?金屬電池的碳電極(正極)中添加適當(dāng)量的納米金剛石，利用納米金剛石表面吸附氧氣分子的特性，提供了碳電極中溶解氧濃度。同時(shí)改變了傳統(tǒng)空氣電極在電池工作時(shí)空氣電極內(nèi)氧氣以氣相參與界面反應(yīng)為液相參與反應(yīng)，提高了傳質(zhì)速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于氧-金屬電池的復(fù)合空氣電極，具體地說是在空氣電極中添加納米金剛石使得空氣電極能夠獲得更多的氧氣參與反應(yīng)。這里氧-金屬電池包括金屬空氣電池。

背景技術(shù)

由于氧-金屬與其他電池相比也具有較高的能量密度，電池是氧氣作為陰極反應(yīng)物，鎂、鋁、鋅等金屬作為陽極反應(yīng)物。這些材料資源豐富，反應(yīng)產(chǎn)物為鎂、鋁、鋅的氧化物可以回收循環(huán)利用，而且是高性能的環(huán)境友好電池。氧-金屬電池的正極(也稱空氣電極)具有集電、形成氧氣參與反應(yīng)的氣、固、液三相界面。氧氣通過電極到達(dá)氣、固、液三相界面，現(xiàn)有的空氣電極氧氣吸附率低電極內(nèi)含氧濃度低，導(dǎo)致氧-金屬電池的功率密度較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的：為了進(jìn)一步提高氧-金屬電池的功率密度，發(fā)明了一種復(fù)合空氣電極，開發(fā)高氧氣吸附率的氧-金屬電池用空氣電極，提高電極含氧濃度，從而提高氧-金屬電池的功率密度。

本發(fā)明所使用的技術(shù)方案是：一種氧-金屬電池的多孔碳納米金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)空氣電極，所述氧-金屬電池包括空氣電池，所述多孔碳納米金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)空氣電極的特征在于：

所述復(fù)合結(jié)構(gòu)空氣電極由多孔碳材料和納米金剛石顆粒組成，其多孔碳材料孔中充填納米金剛石顆粒；納米金剛石顆粒表面吸附氧氣，使空氣電極中的氧氣濃度高于電極環(huán)境的濃度。

進(jìn)一步的，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)空氣電極的由100納米至100微米的多孔碳和1納米至500納米的金剛石顆粒組成。

進(jìn)一步的，用碳粉燒結(jié)或粘結(jié)成預(yù)定密度和預(yù)定尺寸的多孔碳電極，碳電極的孔隙率控制在5％-20％；所述碳粉為石墨粉、碳黑粉、無定形碳粉中任意一個(gè)。

進(jìn)一步的，空氣電極制備過程包括浸入過程和干燥過程；

所述浸入過程為:將多孔碳電極浸入納米金剛石膠體溶液，納米金剛石膠體溶液在毛細(xì)現(xiàn)象的作用下充入碳電極孔中；

所述干燥過程為:從納米金剛石膠體溶液中取出碳電極后自然干燥或加熱干燥，自然干燥溫度范圍為20-35℃，自然干燥時(shí)間范圍為10-24小時(shí)；加熱干燥溫度范圍為50-90℃，加熱時(shí)長0.5-5小時(shí)，去除碳電極孔中溶液的水分，使金剛石顆粒沉積在碳電極孔中；

將浸入過程和干燥過程重復(fù)2-10次，控制多孔碳電極孔中的納米金剛石體積充填率在30-50％。

有益效果：

本發(fā)明提供的一種氧-金屬電池的多孔碳納米金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)空氣電極，所述氧-金屬電池包括空氣電池，所述的空氣電極其內(nèi)部形成含有納米金剛的復(fù)合結(jié)構(gòu)的空氣電極。利用納米金剛石顆粒具有良好的吸附氧能力強(qiáng)、耐酸性及堿性環(huán)境、且不溶于水的特征，空氣電極的微空隙被表面吸附氧氣的納米金剛石充填，從而為電池反應(yīng)提供了大量的氧氣。

所述的空氣電極是具有多孔碳電極，其空隙納米金剛石充填，納米金剛石顆粒表面形成吸附氧氣層，電極內(nèi)部的氧氣濃度遠(yuǎn)高于電極環(huán)境濃度，形成對于氣液固三相界面的氧高分壓，提高了氧氣傳質(zhì)速率，從而提高了電池的功率密度。同時(shí)納米金剛石顆粒化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與堿性電解質(zhì)溶液發(fā)生反應(yīng)，在多孔碳電極內(nèi)部的空隙內(nèi)壁形成納米金剛石顆粒覆蓋層，可以有效防止電解液對電極的滲透，提高電極的穩(wěn)定性和使用壽命。

具體實(shí)施方式

所述的基于氧-金屬電池的空氣復(fù)合電極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：采用各種碳粉如石墨粉、碳黑粉、無定形碳粉燒結(jié)或粘結(jié)成預(yù)定密度和預(yù)定尺寸的多孔碳電極，碳電極的孔隙率控制在5％-20％。