[發明專利]適用于金屬空氣電池的高性能空氣陰極催化層

在審

• 申請號: 202210433140.2
• 申請日: 2022-04-24
• 公開（公告）號: CN114695905A
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 左雨欣;于影;左春檉;鐘美鵬;馮君艷;于志恒
• 申請（專利權）人: 嘉興南湖學院
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M12/06
• 代理公司: 北京翔甌知識產權代理有限公司 11480
• 代理人: 謝新元

本發明公開了一種適用于金屬空氣電池的高性能空氣陰極催化層，其包括以下步驟：1）制備內層墨水，所述內層墨水為催化活性材料墨水；2）制備外層墨水，所述外層墨水為導電凝膠墨水；3）設計功能性網格圖樣；4）選擇具有同軸噴頭的電流體打印設備，并采用步驟1）和步驟2）中制備的內層墨水及外層墨水，根據步驟3）中設計的功能性網格圖樣，進行同軸打印，形成多孔導電凝膠包覆催化活性材料的網格圖案催化層。基于電流體動力學打印構筑柔性碳基凝膠包覆剛性活性材料網格結構催化層。利用同軸打印，精確調控外層凝膠及內層活性材料墨水流量，控制活性材料在微納米尺度上的有序分散；構筑功能性網格結構提高催化層力學性能。

技術領域

本發明具體涉及一種適用于金屬空氣電池的高性能空氣陰極催化層。

背景技術

近年來，柔性電子及應用（如柔性傳感器、可穿戴醫療產品等）因具有較好的靈活性和便攜性，在眾多領域得到廣泛應用，但柔性電源成為阻礙柔性電子發展的瓶頸問題。金屬（如鋁、鎂、鋅等）空氣電池具有放電容量高、能量密度大、質量輕和環境友好等優勢，是最具競爭力的柔性電源之一。金屬空氣電池一般由空氣正極、電解質和金屬負極組成。由于柔性金屬電池在使用過程中，存在彎折等工況，因此必須兼具抗彎折力學特性。金屬空氣電池的金屬負極通常為具備一定力學性能的金屬薄片（如鋁箔、鋅箔等）。傳統液態電解質也已被全固態電解質取代，負極和電解質一定程度上能滿足柔性電池抗彎折的要求。空氣正極是電池核心部分，包括氣體擴散層、集流層和催化層，通常將混合催化活性材料、碳材料（如活性炭、乙炔黑等）和粘結劑的漿料涂覆在集流體（如泡沫鎳等）上，或者將催化活性材料直接涂覆在碳基底（如碳布、碳紙）上作為自支撐空氣正極。大量實驗研究表明，柔性基底上的脆性功能材料在疲勞彎折或扭轉過程中極易破裂和剝離脫落（Chen M, Yang F, Chen X,Qin R, Pi H, Zhou G, et al. Crack Suppression in Conductive Film by Amyloid-Like Protein Aggregation toward Flexible Device[J]. Adv Mater., 2021, 33:202104187；Park SJ, Ko TJ, Yoon J, Moon MW, Oh KH, Han JH. Highly adhesive andhigh fatigue-resistant copper/PET flexible electronic substrates[J]. ApplSurf Sci., 2018, 427:1–9.）。在空氣正極中，碳紙、碳布或者泡沫鎳本身為柔性基底，但是，涂覆在其上的漿料干燥后所形成的催化層為脆性薄膜，在疲勞彎折或扭轉過程中會發生破裂和剝離脫落現象。催化層在電化學反應過程中決定正極氧還原反應的反應速率，對電池性能影響顯著，催化層的破裂和剝離脫落會導致電池整體電化學性能下降或失效。因此，柔性金屬空氣電池氧還原催化層的設計與制備是一個亟待解決的關鍵問題。

為了對抗催化活性材料在彎折或者扭轉過程中的脫落、剝離，科學家嘗試將活性材料分散在柔性凝膠中，利用凝膠來錨定活性材料，期望一定程度上保持機械應變過程中催化材料的物理穩定性。雖然多孔凝膠催化層能夠緩解了機械應變過程中的催化活性材料的剝離、脫落，但是仍存在以下兩方面不足：其一，多孔凝膠負載催化活性材料一般是在凝膠化過程之前將催化材料嵌入到凝膠中，然而，催化材料的自團簇現象嚴重減少了活性材料的可用活性位點，沒有充分利用多孔凝膠框架的高比表面積。其二，疲勞機械應變會導致基底和表面功能性薄膜界面處的位錯堆積，進而使功能性薄膜產生凸起和裂紋，催化層的疲勞彎曲和扭轉極易形成通道型裂紋，導致局部失效影響催化層的穩定性。因此，基于上述問題，亟需進一步提高催化活性材料的分散度，改善凝膠催化層的力學性能，提高整體抗彎曲、抗扭轉強度。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種適用于金屬空氣電池的高性能空氣陰極催化層。

為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：

一種適用于金屬空氣電池的高性能空氣陰極催化層，其包括以下步驟：

1）制備內層墨水，所述內層墨水為催化活性材料墨水；