一種空氣電極的製作方法
2023-05-06 23:38:11 2
專利名稱：一種空氣電極的製作方法
技術領域：
本發明屬於電化學技術領域，尤其涉及的是一種應用在金屬—空氣電池中的空氣電極。
背景技術：
金屬—空氣電池是以電極電位較負的金屬如鎂、鋁、鋅、鎘、鐵等作負極，以空氣中的氧或純氧作正極的活性物質，電解液一般採用鹼性或中性的電解質水溶液。如果採用電極電位更負的鋰、鈉、鈣等作負極時，只能採用非水的有機電解質或無機電解質溶液。
金屬—空氣電池的主要特點是第一，由於空氣電極所用活性物質是空氣中取之不盡的氧，所以比能量高，其理論比能量一般都在1000wh/kg以上，實際比能量在100wh/kg以上，屬於高能化學電源；第二，性能穩定，特別是鋅—空氣電池採用粉狀多孔鋅電極和鹼性電解液後，可以在很高的電流密度下工作，如果採用純氧代替空氣，放電性能還可以大幅度提高；第三，價格便宜。
根據放電率的不同，鋅—空氣電池可以應用於不同的場合。它可以代替成本很高的鋅—銀電池用於國防，如魚雷、飛彈等。對於小電流長壽命工作的扣式鋅—空氣電池，可用於手錶、助聽器以及計算器等場合。中、小電流密度下工作可用於鐵路信號、無線電通訊、航標燈、農用黑光燈等作電源。大電流密度工作可用於車輛動力源，具有無噪聲、無廢氣排放等優點，是一種很有前途的綠色電動車的首選電源之一。
傳統空氣電極由催化活性層、集流體導電網、憎水透氣層複合而成，集流體導電層多壓在催化活性層上或壓在憎水透氣層與催化活性層之間，而憎水透氣層又分為聚四氟乙烯型和聚乙烯型兩種。這種結構的空氣電極存在著機械強度差、電解液遺漏或揮發以及電解液的碳酸化等問題，影響了電池的性能和限制了它的應用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、機械強度好、空氣的流路可控、可減小電解液流失和二氧化碳影響的空氣電極，以提高金屬—空氣電池的使用壽命和儲存壽命。
本發明的技術方案是它依次由以下部分組成由催化劑、聚四氟乙烯和高表面積的活性碳、碳素纖維、石墨、分子篩或沸石等顆粒材料中的一種或多種構成的催化活性層；由不鏽鋼、鍍鎳低碳鋼、金、銀、鎳、鎢或銅等耐腐蝕金屬以網狀或多孔狀形式構成的集流體；由聚四氟乙烯純膜或聚四氟乙烯與碳黑構成的具有拉伸方向的憎水透氣層和拉伸方向與憎水透氣層相垂直的由聚合物構成的防漏密封層，催化活性層、集流體、憎水透氣層和防漏密封層採用滾壓而成。
催化劑可以是銀、鉑等貴金屬；可以是二氧化錳、氧化銀或氧化鈷等金屬氧化物；可以是氫氧化鎳、氫氧化鈷、氫氧化鐵、氫氧化鈉、氫氧化錳、氫氧化銀或氫氧化鉻等金屬氫氧化物；也可以是中心金屬原子為鈷、鐵、鎳和錳，配位體為酞菁、卟啉的酞菁鈷、四苯基卟啉鈷或四甲氧基苯基卟啉鈷等金屬螯合物；還可以是鈣鈦石型複合氧化物。
防漏密封層是聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍或Teflon膜中的一種或幾種的混合物。
本發明的積極效果如下1.作為一種空氣(氧)的控制方式，可以避免電解液的遺漏或蒸發，因此延長了金屬—空氣電池的儲存壽命和在空氣中的暴露壽命。
2.提高了空氣電極的機械強度，有利於金屬—空氣電池的機械加工。
3.阻止和減小了空氣中二氧化碳的進入，減緩了鹼性電解液的碳酸化，避免了電池內阻的提高和負極自放電的發生，保持了電池的容量和壽命，可以在相對高的溫度和溼度條件下呈現很好的放電性能，使金屬—空氣電池技術實用化成為可能。
圖1是本發明的結構剖面圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明依次由催化活性層1、集流體2、具有拉伸方向的憎水透氣層3和拉伸方向與憎水透氣層3拉伸方向相垂直的防漏密封層4組成，採用滾壓式製造，先分別製成催化活性層1、集流體2、憎水透氣層3和防漏密封層4，再壓合而成。催化活性層1由催化劑、聚四氟乙烯和高表面積的活性碳、碳素纖維、石墨、分子篩或沸石等顆粒材料中的一種或多種構成，催化劑可以是銀、鉑等貴金屬；可以是二氧化錳、氧化銀或氧化鈷等金屬氧化物；可以是氫氧化鎳、氫氧化鈷、氫氧化鐵、氫氧化鈉、氫氧化錳、氫氧化銀或氫氧化鉻等金屬氫氧化物；也可以是中心金屬原子為鈷、鐵、鎳和錳，配位體為酞菁、卟啉的酞菁鈷、四苯基卟啉鈷或四甲氧基苯基卟啉鈷等金屬螯合物；還可以是鈣鈦石型複合氧化物。集流體2一般是由不鏽鋼、鍍鎳低碳鋼、金、銀、鎳、鎢或銅等耐腐蝕金屬以編織網、拉伸網或衝孔拉網等形式構成。憎水透氣層3由聚四氟乙烯純膜或聚四氟乙烯與碳黑構成。防漏密封層4是聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍或Teflon膜中的一種或幾種的混合物。憎水透氣層3和防漏密封層4在一定的外力拉伸下，可以在某一方向上伸長和取向，就會產生水平和垂直方向上不同的孔徑。因此，經過不同方向拉伸成的取向方向互為垂直的憎水透氣層3和防漏密封層4可以有效地防止電解液的遺漏或揮發。可以通過控制拉伸強度來選擇孔徑的大小和形狀，以便有效地調控空氣的通路，阻止水分和二氧化碳的影響，保證金屬—空氣電池的容量和性能，提高其儲存壽命和使用壽命。
實施例1將200克四苯基卟啉鈷與1000克活性碳混合後，在700℃惰性氮氣保護下加熱5小時，再加入20％的聚四氟乙烯粘結劑和10公斤水攪拌3小時，在10Mpa碾壓成厚度約為0.1mm的催化膜。集流體使用導電鎳網。憎水透氣層是將碳黑與20％聚四氟乙烯的混合液塗抹在單向拉伸過的尼龍膜上，乾燥。防漏密封層使用與憎水透氣層拉伸方向垂直的Teflon膜。在壓片膜內放入無甘油玻璃紙，依次放入防漏密封層、憎水透氣層、導電骨架和催化膜，然後將玻璃紙覆蓋在催化膜上，在260℃下加熱、10Mpa下加壓成型，剪成面積為100cm2的空氣電極。用穩態恆電流進行極化測試，在1.0V的極化電位下電流密度約為100mA/cm2，延長電池的儲存壽命5倍。
實施例2將300克硝酸錳與200克活性碳混合後，在900℃惰性氮氣保護下加熱8小時，獲得280克含氧化錳的碳粉，再加入250克TritonX-100粘結劑和5公斤水攪拌3小時，在8Mpa碾壓成厚度約為0.15mm的催化膜。集流體使用導電鎳網。憎水透氣層是單向拉伸過的Teflon膜，防漏密封層使用與憎水透氣層拉伸方向垂直的Teflon膜。在壓片膜內放入無甘油玻璃紙，依次放入防漏密封層、憎水透氣層、導電骨架和催化膜，然後將玻璃紙覆蓋在催化膜上，在260℃下加熱、8Mpa下加壓成型，剪成面積為100cm2的空氣電極。用穩態恆電流進行極化測試，在1.0V的極化電位下電流密度約為120mA/cm2，延長電池的儲存壽命5倍。
權利要求
1.一種空氣電極，其特徵在於它依次由以下部分組成由催化劑、聚四氟乙烯和高表面積的活性碳、碳素纖維、石墨、分子篩或沸石等顆粒材料中的一種或多種構成的催化活性層(1)；由不鏽鋼、鍍鎳低碳鋼、金、銀、鎳、鎢或銅等耐腐蝕金屬以網狀或多孔狀形式構成的集流體(2)；由聚四氟乙烯純膜或聚四氟乙烯與碳黑構成的具有拉伸方向的憎水透氣層(3)和拉伸方向與憎水透氣層相垂直的由聚合物構成的防漏密封層(4)，催化活性層(1)、集流體(2)、憎水透氣層(3)和防漏密封層(4)採用滾壓而成。
2.根據權利要求1所述的一種空氣電極，其特徵在於催化活性層(1)中的催化劑可以是銀、鉑等貴金屬；可以是二氧化錳、氧化銀或氧化鈷等金屬氧化物；可以是氫氧化鎳、氫氧化鈷、氫氧化鐵、氫氧化鈉、氫氧化錳、氫氧化銀或氫氧化鉻等金屬氫氧化物；也可以是中心金屬原子為鈷、鐵、鎳和錳，配位體為酞菁、卟啉的酞菁鈷、四苯基卟啉鈷或四甲氧基苯基卟啉鈷等金屬螯合物；還可以是鈣鈦石型複合氧化物。
3.根據權利要求1所述的一種空氣電極，其特徵在於集流體(2)以編織網、拉伸網或衝孔拉網等形式構成，
4.根據權利要求1所述的一種空氣電極，其特徵在於防漏密封層(4)是聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍或Teflon膜中的一種或幾種的混合物。
全文摘要
一種空氣電極，依次由催化活性層、集流體、具有拉伸方向的憎水透氣層和拉伸方向與憎水透氣層的拉伸方向相垂直的防漏密封層組成，採用滾壓式製造，本發明結構簡單、機械強度好、空氣的流路可控、可減小電解液流失和二氧化碳的影響，進而提高金屬—空氣電池的使用壽命和儲存壽命。
文檔編號H01M4/86GK1450677SQ0213270
公開日2003年10月22日 申請日期2002年7月31日 優先權日2002年7月31日
發明者劉傑, 高成和 申請人:吉林省華成新能源電控有限公司