空氣電極及其製備方法與流程

2023-07-27 00:11:36 1

本發明涉及金屬燃料電池領域，具體地，涉及空氣電極，以及製備空氣電極的方法。

背景技術：

金屬燃料電池是用金屬燃料代替氫能源而形成的一種新概念的燃料電池，是新一代綠色能源的重要發展方向。金屬燃料電池發揮了燃料電池的眾多優點，將鋅、鋁、鎂、鐵、鈣、鈉、鋰等金屬作為負極材料，吸收空氣中的氧氣作為正極材料，一起構成一個連續的電能產生裝置，具有無毒、無汙染、放電電壓平穩、比能量高、內阻小、儲能壽命長、價格相對較低、工藝要求低等優點，既有豐富廉價的資源，又能再生利用，而且電池結構簡單，具有很好的發展和應用前景。但目前金屬燃料電池所採用的空氣電極結構複雜，製備方法繁瑣，不利於大規模生產，也限制了金屬燃料電池的應用。

由此，現有的空氣電極有待改進。

技術實現要素：

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在於提出一種空氣電極，該空氣電極結構簡單，並且不含碳，克服了空氣電極的碳化問題，提高了使用壽命。

需要說明的是，本發明是基於發明人的下列工作而完成的：

金屬銀是一種優良的催化材料，廣泛應用於各種催化領域，同時也是一種優秀的氧還原催化劑，能夠作為金屬空氣電池的空氣電極催化材料。常規的使用方法是將金屬銀粉與導電碳材和粘結劑一起混合通過輥壓的方法製備成催化劑然後合成到空氣電極中，這種方法由於加入了導電碳材和粘結劑會降低銀的催化活性，同時金屬銀粉的團聚及分散不均勻也進一步降低了其催化性能。發明人研究發現，採用電鍍的方法將納米銀粒子直接生長到泡沫金屬表面，具有高催化活性的銀粒子直接與泡沫金屬接觸，能夠降低電極的電阻，將催化產生的電流直接傳遞出去；同時由於沒有碳材粘結劑的加入也避免了空氣電極使用過程中的碳化問題，能夠大大提高空氣電極的催化活性劑使用壽命。

因而，根據本發明的一個方面，本發明提供了一種空氣電極。根據本發明的實施例，該空氣電極包括：泡沫金屬；金屬集流層，所述金屬集流層覆蓋在所述泡沫金屬的至少部分表面上；以及防水層，所述防水層覆蓋在所述金屬集流層和所述泡沫金屬的表面上，且所述防水層具有透氣孔道。

根據本發明實施例的空氣電極，在泡沫金屬表面直接覆蓋金屬集流層，不同於傳統的防水層-集流體-催化層的空氣電極結構，金屬集流層兼具了集流體和催化層二者的功能，結構更加簡單，並且便於製備和批量生產。同時，該金屬集流層具有催化功能，避免了現有空氣電極的催化層中含碳的問題，解決了空氣電極的碳化問題，延長了使用壽命，提高了放電效果。

另外，根據本發明上述實施例的空氣電極，還可以具有如下附加的技術特徵：

根據本發明的實施例，所述金屬集流層是由銀納米顆粒構成的。

根據本發明的實施例，所述泡沫金屬為選自銅、鎳、鎳鉻鐵合金、鋅銅合金、鎳銅合金、鎳鉻鎢合金和鎳鐵合金的至少一種。

根據本發明的實施例，所述泡沫金屬與所述金屬集流層的質量比為所述金屬集流層與所述泡沫金屬的質量比為0.1-10：100。

根據本發明的另一方面，本發明提供了一種製備空氣電極的方法。根據本發明的實施例，該製備空氣電極的方法包括：以泡沫金屬為陰極，石墨為陽極進行電鍍處理，以便在泡沫金屬的至少部分表面形成金屬集流層；將表面形成所述金屬集流層的泡沫金屬與防水透氣膜進行壓合處理，在所述金屬集流層和所述泡沫金屬的表面上形成防水層，以便得到空氣電極。

根據本發明實施例的製備空氣電極的方法，通過電鍍處理在泡沫金屬的至少部分表面上形成金屬集流層，方法簡單，便於進行批量生產。並且，利用該方法得到的空氣電極的結構不同於傳統的防水層-集流體-催化層的空氣電極的結構，金屬集流層兼具了集流體和催化層二者的功能，該空氣電極的結構更加簡單。同時，該金屬集流層具有催化功能，避免了現有空氣電極的催化層中含碳的問題，解決了空氣電極的碳化問題，延長了使用壽命，提高了放電效果。

根據本發明的實施例，所述電鍍處理的電鍍液含有硝酸銀、硫代硫酸鈉和焦亞硫酸鉀，且pH值為7-9。

根據本發明的實施例，所述硝酸銀的濃度為5-20g/L，所述硫代硫酸鈉的濃度為30-60g/L，所述焦亞硫酸鉀的濃度為5-20g/L。

根據本發明的實施例，所述電鍍處理為二段電鍍。

根據本發明的實施例，所述二段電鍍中，第一段電鍍的溫度為15-40℃，電流密度為5-10mA/cm2，電鍍時間為5-10min，第二段電鍍的溫度為15-40℃，電流密度為0.5-5mA/cm2，電鍍時間為10-30min。

根據本發明的實施例，所述壓合處理的壓力為10-20MPa，保壓時間為0.5-5min。

本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1顯示了根據本發明一個實施例的製備空氣電極的方法的流程示意圖；

圖2顯示了根據本發明一個實施例的空氣電極的結構示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明而不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

需要說明的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。進一步地，在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。

根據本發明的一個方面，本發明提供了一種空氣電極。參考圖2，根據本發明的實施例，該空氣電極包括：泡沫金屬2、金屬集流層3和防水層1。其中，金屬集流層3覆蓋在泡沫金屬2的至少部分表面上，形成具有催化功能的金屬集流層；防水層1覆蓋在金屬集流層3和泡沫金屬2的表面上，且防水層具有透氣孔道4，使空氣僅透氣孔道4進入電解液，並防止電池中的電解液滲漏出來。

根據本發明的一些實施例，透氣孔道4的直徑為5-30nm。由此，空氣可以從該孔道進入電解液，而水的粒徑較大，無法經透氣孔道滲漏出來。

根據本發明的實施例，金屬集流層3的原料不受特別的限制，只要形成的金屬集流層具有集流和催化功能即可，可以根據實際生產需要進行選擇。根據本發明的優選實施例，該金屬集流層是由銀顆粒構成的。由此，金屬集流層的集流和催化效果好，並且形成的空氣電極的不含碳，解決了現有空氣電極的碳化問題，電極的使用壽命長，放電效果好。

根據本發明的優選實施例，構成集流層的銀為銀納米顆粒，該銀納米顆粒的粒徑為100-1000nm。由此，銀顆粒的比表面積大，催化活性好，空氣電極的放電能力強。

根據本發明的實施例，泡沫金屬為選自銅、鎳、鎳鉻鐵合金、鋅銅合金、鎳銅合金、鎳鉻鎢合金和鎳鐵合金的至少一種。由此，泡沫金屬的比表面積大，而比表面積很大的泡沫金屬一方面能夠為銀粒子催化劑提供足夠的附著面使得銀粒子能夠均勻低沉積在泡沫金屬的表面，獲得更好的催化活性，另一方面能夠將放電產生的電流傳輸出去。

根據本發明的實施例，金屬集流層3與泡沫金屬2的質量比為0.1-10：100。由此，金屬集流層的催化活性好，空氣電極的放電能力強。

根據本發明的另一方面，本發明提供了一種製備空氣電極的方法。參考圖1，根據本發明的實施例，對該製備空氣電極的方法進行解釋說明，該方法包括：

S100電鍍處理

根據本發明的實施例，以泡沫金屬為陰極，石墨為陽極進行電鍍處理，在泡沫金屬的至少部分表面形成金屬集流層。通過電鍍處理在泡沫金屬的至少部分表面上形成金屬集流層，方法簡單，便於進行批量生產。並且，利用該方法得到的空氣電極的結構不同於傳統的防水層-集流體-催化層的空氣電極的結構，金屬集流層兼具了集流體和催化層二者的功能，該空氣電極的結構更加簡單。同時，該金屬集流層具有催化功能，避免了現有空氣電極的催化層中含碳的問題，解決了空氣電極的碳化問題，延長了使用壽命，提高了放電效果。

根據本發明的實施例，該電鍍處理的電鍍液含有硝酸銀、硫代硫酸鈉和焦亞硫酸鉀，且pH值為7-9。由此，利用該電鍍液進行電鍍處理，可以在泡沫金屬的表面形成銀鍍層，該銀鍍層即金屬集流層，並且該電鍍液為無氰電鍍液，電鍍液安全無汙染，成本低、得到的鍍層與基體結合緊密，緻密性好、催化活性高。

根據本發明的實施例，硝酸銀的濃度為5-20g/L，硫代硫酸鈉的濃度為30-60g/L，焦亞硫酸鉀的濃度為5-20g/L。由此，該電解液在電鍍過程中形成的金屬集流層均勻、緻密性好、催化活性高。

其中，需要說明的是，電鍍處理可以採用分段電鍍的方式，從而，得到的鍍層與基體結合緊密，緻密性好，並且鍍層粒度均勻，比表面積大。而電鍍分段的段數可以根據原料和實際生產需要進行選擇。

根據本發明的一些實施例，該分段電鍍分為二段，即二段電鍍。進一步地，根據本發明的具體實施例，二段電鍍中，第一段電鍍的溫度為15-40℃，電流密度為5-10mA/cm2，電鍍時間為5-10min，第二段電鍍的溫度為15-40℃，電流密度為0.5-5mA/cm2，電鍍時間為10-30min。由此，第一段電鍍中使用大電流短時間成核，第二段電鍍中，小電流生長得到粒度均勻，比表面積大的鍍層，該鍍層即金屬集流層，從而，金屬集流層的催化活性好，電子傳遞效率更高。

S200壓合處理

根據本發明的實施例，將表面形成金屬集流層的泡沫金屬與防水透氣膜進行壓合處理，在金屬集流層和泡沫金屬的表面上形成防水層，得到空氣電極。空氣電極表面的防水層可以有效防止電池中的電解液腐蝕金屬集流層和泡沫金屬。

根據本發明的實施例，壓合處理的壓力為10-20MPa，保壓時間為0.5-5min。由此，防水透氣膜緊密地貼合在金屬集流層和泡沫金屬的表面上，有效防止電池中的電解液腐蝕金屬集流層和泡沫金屬，從而，空氣電極的使用壽命更長。

下面參考具體實施例，對本發明進行說明，需要說明的是，這些實施例僅僅是說明性的，而不能理解為對本發明的限制。

實施例1

利用本發明的方法製備空氣電極，具體方法如下：

(1)配製成分如下的電鍍液：硝酸銀10g/L，硫代硫酸鈉45g/L，焦亞硫酸鉀15g/L，電鍍液使用氫氧化鉀調節pH至8.0。

(2)將泡沫金屬進行超聲清洗和酒精除油，得到清潔的泡沫金屬。

(3)將清潔的泡沫金屬作為陰極，石墨作為陽極進行二段電鍍，其中，第一段電鍍條件為：溫度25℃，電流密度8mA/cm2，電鍍時間6min；一段電鍍完成後進行第二段電鍍，第二段電鍍的條件為：溫度為15-40℃，電流密度為0.5-5mA/cm2，電鍍時間為10-30min。

(4)電鍍完成後將泡沫金屬取出、清洗、晾乾後，與防水透氣膜進行壓合處理，壓力15MPa，保壓3min，得到空氣電極。

將該空氣電極進行放電測試，該空氣電極的放電電流密度達到200mA/cm2，使用壽命達到2500h。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。