一種鋰空氣電池用一體化空氣電極的製備方法
2023-05-07 07:24:41
一種鋰空氣電池用一體化空氣電極的製備方法
【專利摘要】本發明屬於電池電極製備【技術領域】，特別是涉及鋰空氣電池空氣電極的製備方法：一體化空氣電極是以隔膜作為基體材料，在基體一側表面塗覆由電極材料、分散劑和粘結劑PTFE組成的混合物，分散劑為高沸點溶劑丙二醇、丙三醇、N-N二甲基乙醯胺中的一種或兩種以上的混合溶劑；將混合物刮塗於隔膜上，對其進行分步乾燥，乾燥方法為室溫下乾燥12-48小時，35-50℃乾燥12-48小時，60-80℃在真空或惰性氣氛保護下乾燥12-48小時。製備的一體化空氣電極用於鋰空電池中，具有較高穩定性。
【專利說明】一種裡空氣電池用一體化空氣電極的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電池電極製備【技術領域】，特別是涉及鋰空氣電池空氣電極的製備方法。
【背景技術】
[0002]隨著可攜式電子設備以及電動車的迅速發展，市場迫切需求高比能量和高比容量的二次電池。鋰-空氣電池是金屬-空氣電池中的一種，它是以金屬鋰為負極，空氣電極為正極的二次電池。由於作為負極材料的金屬鋰具有最低的理論電壓以及較高的理論比容量(高達3，862mAh/g),同時作為正極活性物質的氧氣可直接從空氣中獲得(正極的理論比容量無限大)，因此，鋰-空氣電池具有極高的比容量和比能量。以鋰為標準，其理論比能量密度可達11，140Wh/Kg，而實際比能量也遠高於常用的鋰離子電池，因此鋰-空氣電池在民用及軍用領域極具應用前景。
[0003]目前，鋰-空氣電池主要採用各種碳材料和催化劑作為電極材料，通過混入粘結齊U，通過輥壓工藝製備空氣電極。輥壓工藝是將碳材料或催化劑與粘結劑均勻混合後製備成碳膏，再將碳膏通過對輥機輥壓製備成碳電極。由於輥壓過程中碳材料或催化劑顆粒間的孔道被壓縮，因此輥壓工藝製備的空氣電極孔隙率較低，不利於氧氣在空氣電極中的擴散，而且電極材料的孔道和表面利用率低。
[0004]相比於輥壓法，使用刮塗法由於在製備過程中電極材料顆粒相互間沒有進行擠壓，保留了電極材料顆粒間的空隙率。因此製備得到的空氣電極空隙率極高。通過孔隙率的提高，可以強化氧氣在空氣電極中的傳質情況，改善高倍率下充放電條件下的電池性能。另外通過這種製備方法，電極材料表面和孔道利用率高，從而電極材料的比容量得到提高。
[0005]目前報導的刮塗法製備空氣電極常用粘結劑為PVDF和Naf1n，但PVDF中的C-H鍵和Naf1n中的磺酸根穩定性不好，容易分解造成電極容量下降和循環壽命降低。而PTFE由於具有全氟鏈，因此穩定性較好，是鋰空氣電池中理想的粘結劑。但是PTFE在製備電極的過程中，成膜困難，電極容易產生裂紋，很難用刮塗法製備出合格的電極。本發明採用合適的溶劑，同時採用合適的乾燥工藝，製備出性能優良的以PTFE作為粘結劑的鋰空氣電池用刮塗電極。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種鋰空氣電池一體化空氣電極及其製備方法。
[0007]為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下:
[0008]一種鋰空氣電池用一體化空氣電極，所述電極是以電極材料、分散劑和粘結劑PTFE作為基體材料，附著於隔膜表面一側，基體擔載量為0.5mg/cm2-2mg/cm2,厚度為1ym至10ym,其中電極材料和粘結劑質量比為5:5-19:1，分散劑與電極材料比例為l/5-l/50L/g。
[0009]所述電極材料由碳材料和催化劑組成。
[0010]所述分散劑為高沸點溶劑丙二醇、丙三醇、N-N 二甲基乙醯胺中的一種或兩種以上的混合溶劑。
[0011]所述一體化空氣電極採用如下步驟製備而成，將碳材料和催化劑按質量比1:100-100:1混合，將混合物加入分散液中通過超聲或/和攪拌使其分散均勻，然後加入粘結劑PTFE繼續分散製得混合液，將混合液刮塗於隔膜上，控制擔載量為0.5mg/cm2-2mg/cm2，對其進行分布乾燥，乾燥方法為室溫下乾燥12-48小時，35-50°C乾燥12-48小時，60-80°C在真空或惰性氣氛保護下乾燥12-48小時。
[0012]本發明有益效果:
[0013]1.選擇PTFE做粘結劑，製備的一體化空氣電極用於鋰空電池中，具有較高穩定性；
[0014]2.選擇PTFE做粘結劑，通過選擇高沸點分散劑，並採用分步乾燥方法，成功利用刮塗法製備電極，電極容量與使用低沸點分散劑或者快速乾燥的方法相比可以提高3-4倍。
【具體實施方式】
[0015]實施例1:
[0016]將80mg Super Ρ/Μη02電極材料與4ml丙二醇混合,並超聲30分鐘使其分散均勻。然後加入400mg質量分數為5%的PTFE乳液，攪拌5分鐘，並超聲30分鐘，使電極材料，PTFE乳液分散均勻。然後用刮板將分散液均勻刮塗於多孔PP隔膜上。將塗有分散液的多孔PP隔膜於室溫下乾燥24h，再於40°C下乾燥12h，再於60°C下真空乾燥12h。即製備得到所需電極。該電極在30mA/g下放電容量可達8400mAh/g。
[0017]實施例2:
[0018]將80mg KB300/Co304電極材料與4ml丙三醇混合，並超聲30分鐘使其分散均勻。然後加入400mg質量分數為5%的PTFE乳液，攪拌5分鐘，並超聲30分鐘，使電極材料，PTFE乳液分散均勻。然後用刮板將分散液均勻刮塗於多孔PP隔膜上。將塗有分散液的多孔PP隔膜於室溫下乾燥24h，再於40°C下乾燥12h，再於60°C下真空乾燥12h。即製備得到所需電極。該電極在30mA/g下放電容量可達7100mAh/g。
[0019]對比例1:
[0020]將80mg Super Ρ/Μη02電極材料與4ml乙醇混合,並超聲30分鐘使其分散均勻。然後加入400mg質量分數為5%的PTFE溶液，攪拌5分鐘，並超聲30分鐘，使電極材料，PTFEF溶液分散均勻。然後用刮板將分散液均勻刮塗於多孔PP隔膜上。將塗有分散液的多孔PP隔膜於室溫下乾燥24h，再於40°C下乾燥12h，再於60°C下真空乾燥12h。即製備得到所需電極。該電極在30mA/g下放電容量為3000mAh/g
[0021]對比例2:
[0022]將80mg KB300/Co304電極材料與4ml丙三醇混合，並超聲30分鐘使其分散均勻。然後加入400mg質量分數為5%的PTFE溶液，攪拌5分鐘，並超聲30分鐘，使電極材料，Naf1n溶液分散均勻。然後用刮板將分散液均勻刮塗於多孔PP隔膜上。將塗有分散液的多孔PP隔膜於60°C下真空乾燥12h。即製備得到所需電極。該電極在30mA/g下放電容量為 2000mAh/g。
[0023]總結:
[0024]通過使用高沸點溶劑分散電極材料和PTFE，並採用分步乾燥的方法，使刮塗電極在乾燥過程中溶劑以較低的速度揮發，溶劑去除過程中電極不會出現明顯的開裂現象，保持了電極的完整形貌和導電性。而使用低沸點的溶劑和一步快速乾燥的方法，溶劑去除速度快，電極極易開裂，造成電極材料脫落，同時電極的導電性下降，從而導致電池容量較低。
【權利要求】
1.一種鋰空氣電池用一體化空氣電極的製備方法，其特徵在於:所述一體化空氣電極是以隔膜作為基體材料，在基體一側表面塗覆由電極材料、分散劑和粘結劑PTFE組成的混合物，混合物擔載量為0.5mg/cm2-2mg/cm2,塗層厚度為10 μ m至100 μ m,其中電極材料和粘結劑質量比為5:5-19:1，分散劑與電極材料體積質量比例為1/5-1/50升/克； 所述分散劑為高沸點溶劑丙二醇、丙三醇、N-N 二甲基乙醯胺中的一種或兩種以上的混合溶劑； 將混合物刮塗於隔膜上，對其進行分步乾燥，乾燥方法為室溫下乾燥12-48小時，35-50°C乾燥12-48小時，60_80°C在真空或惰性氣氛保護下乾燥12-48小時。
2.根據權利要求1所述一體化空氣電極的製備方法，其特徵在於: 所述一體化空氣電極採用如下步驟製備而成，將碳材料和催化劑按質量比1:100-100:1混合，將混合物加入分散劑中通過超聲或/和攪拌使其分散均勻，然後加入粘結劑PTFE繼續分散製得混合液，將混合液刮塗於隔膜上，對其進行分步乾燥，乾燥方法為室溫下乾燥12-48小時，35-50°C乾燥12-48小時，60_80°C在真空或惰性氣氛保護下乾燥12-48小時。
3.根據權利要求1或2所述一體化空氣電極的製備方法，其特徵在於: 所述電極材料由碳材料和催化劑組成，其中碳材料和催化劑質量比為1:100-100:1。
4.根據權利要求3所述一體化空氣電極，其特徵在於:所述碳材料為SuperP、BP200、KB300、KB600、XC72或AC中的一種或兩種以上；所述催化劑為貴金屬Au、Pt、Ag、Pd、或金屬氧化物 Co3O4, Fe3O4, MnO2, CuO, N1, Li5FeO4, Li2MnO3.LiFeO2 中的一種或兩種以上。
5.根據權利要求1或2所述一體化空氣電極的製備方法，其特徵在於:於隔膜上進行一次或二次以上的混合物或混合液刮塗，控制電極材料擔載量為0.5mg/cm2-2mg/cm2。
【文檔編號】H01M4/88GK104518224SQ201310454398
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】張華民, 周偉, 張益寧, 李婧, 聶紅嬌 申請人:中國科學院大連化學物理研究所