陰極空氣電極、水發電金屬空氣電池及製備方法與流程
2023-05-01 14:36:11 2
本發明屬於金屬空氣電池領域，尤其涉及一種陰極空氣電極、水發電金屬空氣電池及其製備方法。
背景技術：
水發電金屬空氣電池原理是運用既有的活性金屬透過碳元素層與氧分子接觸而發生氧化反應產生電流。大多數水發電金屬空氣電池都是將金屬陽極置於電解液槽中，而空氣電極置於槽體的側壁，氧氣透過具防水透氣的空氣電極進入到電解液槽中與金屬離子產生氧化反應。
上述水發電金屬空氣電池電解液槽體積大、攜帶不便，並且需要反覆經常更換電解液，使用上較為不便。為解決這一技術問題，部分研究人員將金屬空氣電池的空氣電極透過一層吸水層與金屬陽極接觸，使其更近距離地接觸反應。這種水發電金屬空氣電池在加水前不反應、不自損，可長時間儲備，攜帶方便、重量輕，而金屬陽極的能量密度高可以較長時效的工作放電。可適用於燈具、移動通訊設備的充電等用途，提供長備、應急、即時供電的加水後發電的供電電源。
然而，現有的水發電金屬空氣電池中，吸水層所用材料為防水性能較佳的聚四氟乙烯，而聚四氟乙烯不具導電性且內阻大，這影響了膜片整體的導電性能，進而造成電池空氣電極的性能不佳，進而影響了電池的導電效能。此外，在一般的水發電金屬空氣電池的製備過程中皆包含了防水透氣層及催化層的製備，這兩者的用料、工序製程等都相近，工序耗時且材料成本高。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於提供一種水發電金屬空氣電池的陰極空氣電極及其製備方法、一種水發電金屬空氣電池及其製備方法，旨在提高水發電金屬空氣電池的導電性能和電壓，同時降低其生產成本和生產時間。
本發明是這樣實現的，一種水發電金屬空氣電池的陰極空氣電極，所述陰極空氣電極包括催化層和防水透氣集電層；所述催化層包括石墨烯和納米銀，所述防水透氣集電層包括泡沫鎳集電網和納米銀；其中，所述防水透氣集電層中的納米銀依附在所述泡沫鎳集電網的網孔中。
進一步地，所述納米銀的粒徑為15-35nm。
進一步地，所述石墨烯與所述催化層中的納米銀的質量比為1:8-10；所述石墨烯和所述催化層中的納米銀在所述催化層中的質量分數為5％-10％。
進一步地，所述催化層還包括催化劑，所述催化劑包括氧化銀及二氧化錳；所述氧化銀在所述催化層中的質量分數為3％-10％，所述二氧化錳在所述催化層中的質量分數為8％-15％。
本發明還提供了一種水發電金屬空氣電池，包括至少兩組電堆單元，且相鄰電堆單元之間層迭排列，所述電堆單元包括透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質吸水層及上述的陰極空氣電極，所述透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質吸水層及陰極空氣電極順次排列；所述水發電金屬空氣電池還包括若干個金屬連接片；所述至少兩組電堆單元從上至下依次排列，且在相鄰的兩個電堆單元之間中，較上的電堆單元的陰極空氣電極與較下的電堆單元的活性金屬陽極通過所述金屬連接片連接。
進一步地，所述金屬連接片的兩端分別嵌入所述較上的電堆單元的陰極空氣電極與較下的電堆單元的活性金屬陽極中。
進一步地，所述金屬連接片為U形連接片，所述U形連接片包括用於固定所述金屬陽極的鉚釘及用於固定所述陰極空氣電極的釘爪。
進一步地，所述透氣絕緣層為可透過空氣的網格結構，所述透氣絕緣層的材質為絕緣塑料。
本發明還提供了一種上述的陰極空氣電極的製備方法，包括：
催化層製備步驟：在溶劑中加入活性碳、乙炔黑，再加入石墨烯及納米銀，進行攪拌，並在攪拌過程中加入催化劑，製得催化層；所述攪拌溫度為40-60℃，攪拌時間為2-6小時；所述溶劑為乙醇或丙酮；
防水透氣集電層製備步驟：將納米銀噴塗於泡沫鎳的表面，恆溫乾燥，製得防水透氣集電層；所述恆溫乾燥的溫度為60-80℃；
陰極空氣電極製備步驟：以平壓加熱方式將製得的催化層和防水透氣集電層進行熱壓黏合；所述加熱溫度為80℃-120℃，加熱時間為5-10分鐘。
本發明還提供了一種上述的水發電金屬空氣電池的製備方法，包括以下步驟：
準備透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質吸水層、陰極空氣電極及平面金屬片；所述平面金屬片的一端為鉚釘，另一端為帶釘爪形狀的釘爪；
將所述平面金屬片的鉚釘插穿活性金屬陽極的固定圓孔並壓合，將所述釘爪穿刺入陰極空氣電極並壓合；兩端加工完成後，再對摺中間夾入一片透氣絕緣層並壓緊；
按照透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質吸水層及陰極空氣電極依次排列，製得電堆單元及水發電金屬空氣電池；將所述水發電金屬空氣電池用緊束帶束緊。
本發明與現有技術相比，有益效果在於：本發明實施例所提供的水發電金屬空氣電池的陰極空氣電極中，在所述陰極空氣電極的催化層中通過使用石墨烯與納米銀，以納米銀作為單層石墨烯間的搭橋，使得石墨烯單層晶體結構可以組合為多層，從而增加陰極空氣電極中碳極粉體的導電性，進而提高水發電金屬空氣電池的導電性能。由此獲得的陰極空氣電極，整體的厚度較薄、用量較省，成本就較為低廉。相較使用聚四氟乙烯形成的空氣電極性能可提高60％-80％，相較纖維布/紙的碳層塗布的陰極電極性能可提高2-3倍。此外，所述陰極空氣電極的防水透氣集電層中以納米銀塗布於泡沫鎳集電網實現，該防水透氣集電層可同時作為集電網層及防水透氣層，可取代原本在防水透氣層中導電性不佳、內阻大且用量比例高的聚四氟乙烯防水材料，從而提高電池的導電性，且降低生產成本。
進一步地，本發明實施例提供的水發電金屬空氣電池由若干個電堆單元層迭排列而成，相鄰的電堆單元之間間隔了透氣絕緣層；多個電堆單元層迭時，使用金屬連接片連接不同電堆單元的正極和負極，使其形成串聯迴路，這不僅可以確保水發電金屬空氣電池使用過程中的導電性能，而且省去了焊接的麻煩。多個電堆單元串聯後的電池的電壓增加，可用以配合不同電壓需求的需電裝置使用。
附圖說明
圖1是本發明第一實施例提供的石墨烯與納米銀進行結合的原理示意圖；
圖2是本發明第二實施例提供的水發電金屬空氣電池的結構示意圖；
圖3a是本發明第二實施例提供的水發電金屬空氣電池的立體結構示意圖，圖3b是水發電金屬空氣電池的分解結構示意圖；
圖4是本發明第二實施例提供的U形連接片及其與活性金屬陽極、陰極空氣電極連接的結構示意圖；
圖5是本發明第二實施例提供的活性金屬陽極與陰極空氣電極之間夾入透氣絕緣層的製備過程示意圖；
圖6是本發明實施例提供的電池a，b，c的性能測試結果示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明第一實施例提供了一種水發電金屬空氣電池的陰極空氣電極，所述陰極空氣電極包括催化層和防水透氣集電層；所述催化層包括石墨烯和納米銀，所述防水透氣集電層包括泡沫鎳集電網和納米銀，其中，所述防水透氣集電層中的納米銀依附在所述泡沫鎳集電網的網孔中。
如圖1所示，圖1中a為單層石墨烯，b為納米銀。在所述催化層中通過使用石墨烯與納米銀b，以納米銀b作為單層石墨烯a間的搭橋，使得石墨烯單層晶體結構可以組合為多層，從而增加陰極空氣電極中碳極粉體的導電性，進而提高水發電金屬空氣電池的導電性能。由此獲得的陰極空氣電極，整體的厚度較薄、用量較省，成本就較為低廉。相較使用聚四氟乙烯形成的空氣電極性能可提高60％-80％，相較纖維布/紙的碳層塗布的陰極電極性能可提高2-3倍。此外，以納米銀塗布於泡沫鎳集電網可同時作為集電網層及防水透氣層，可取代原本在防水透氣層中導電性不佳、內阻大且用量比例高的聚四氟乙烯防水材料，從而提高電池的導電性，且降低生產成本。
具體地，所述納米銀的粒徑為15-35nm，優選25nm。所述石墨烯與所述催化層中的納米銀的質量比為1:8-10；所述石墨烯和所述催化層中的納米銀在所述催化層中的質量分數為5％-10％。
所述催化層包括催化劑，所述催化劑包括氧化銀及二氧化錳；所述氧化銀在所述催化層中的質量分數為3％-10％，所述二氧化錳在所述催化層中的質量分數為8％-15％。所述催化劑對金屬空氣電池電池中的氧化還原反應的進行具有顯著促進作用，通過調整所述催化劑中氧化銀與二氧化錳的含量，使所述氧化還原反應獲得最佳催化效果。
具體參見圖2，本發明第二實施例提供了一種水發電金屬空氣電池100，包括至少兩組電堆單元，且相鄰電堆單元之間層迭排列，所述電堆單元還包括透氣絕緣層1、活性金屬陽極2、電解質吸水層3及陰極空氣電極4，所述透氣絕緣層1、活性金屬陽極2、電解質吸水層3及陰極空氣電極4順次層迭排列；水發電金屬空氣電池100還包括若干個金屬連接片5；所述電堆單元從上至下依次排列，且相鄰的兩個電堆單元之間較上的電堆單元的陰極空氣電極4與較下的電堆單元的活性金屬陽極2通過金屬連接片5連接。
本發明實施例提供的水發電金屬空氣電池100由若干個電堆單元層迭排列而成，相鄰的電堆單元之間間隔了透氣絕緣層1；多個電堆單元層迭時，使用金屬連接片5連接不同電堆單元的正極和負極，使其形成串聯迴路，這不僅可以確保水發電金屬空氣電池100使用過程中的導電性能，而且省去了焊接的麻煩。多個電堆單元串聯後的電池的電壓增加，可用以配合不同電壓需求的需電裝置使用。
具體地，金屬連接片5的兩端分別嵌入所述較上的電堆單元的陰極空氣電極4與較下的電堆單元的活性金屬陽極2中。
參見圖3及圖4，金屬連接片5為U形連接片，所述U形連接片包括用於固定所述金屬陽極的鉚釘51及用於固定所述陰極空氣電極的釘爪52。活性金屬陽極2通過鉚釘51固定，鉚釘51可穿過活性金屬陽極片上的穿孔(圖中未示出)並壓鉚之；陰極空氣電極4通過釘爪52固定，釘爪52刺穿陰極空氣電極後將突出的釘爪壓平。
所述電堆單元通過緊束帶8束緊，以確保各電堆單元緊密貼合，確保水發電金屬空氣電池100的導電性能及其化學反應所需的距離。
具體地，所述透氣絕緣層為可透過空氣的網格結構，所述透氣絕緣層的材質為絕緣塑料。使用網格形狀的透氣絕緣層，可以增加空氣的流通、提高較充足的氧氣，讓氧化反應效能提高。網格的塑料材質可以絕緣，以避免水份加多時可能造成不同電堆單元短路。
具體地，電解質吸水層3依照不同需要，預先浸泡電解液，然後烘乾，在不加水時不會造成正負極間的反應，僅有在加水後溶解電解液材料後才會促使電池反應；適當條件下加清水(純水亦可)。使用高分子吸水材質可以使水分的保持能力較佳，以延長單次加水時的使用時間。
本發明第三實施例提供了一種上述的陰極空氣電極的製備方法，包括：
催化層製備步驟：在溶劑中加入活性碳、乙炔黑，再加入石墨烯及納米銀，進行攪拌，並在攪拌過程中加入催化劑，製得催化層；所述攪拌溫度為40-60℃，攪拌時間為2-6小時；所述溶劑為乙醇或丙酮；
防水透氣集電層製備步驟：將納米銀噴塗於泡沫鎳的表面，恆溫乾燥，製得防水透氣集電層；所述恆溫乾燥的溫度為60℃-80℃；
陰極空氣電極製備步驟：以平壓加熱方式將製得的催化層和防水透氣集電層進行熱壓黏合；所述加熱溫度為80℃-120℃，加熱時間為5-10分鐘。
結合所述陰極空氣電極所需要具備的性能，在實施本發明實施例提供的陰極空氣電極的製備方法時調整所用物質及相關參數即可，使製備的陰極空氣電極具備預設的性能。
具體地，在製備催化層時，也可以將所述石墨烯與納米銀以質量比1:8-10調混合，並經1-2小時的攪拌調和後添加入催化層中，石墨烯與納米銀混合漿料佔催化層質量比為5％-10％。
本發明第四實施例提供了一種上述的水發電金屬空氣電池的製備方法，包括以下步驟：
準備透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質吸水層、陰極空氣電極及平面金屬片；所述平面金屬片的一端為鉚釘，另一端為帶釘爪形狀的釘爪；
將所述平面金屬片的鉚釘插穿活性金屬陽極的固定圓孔並壓合，將所述釘爪穿刺入陰極空氣電極並壓合；兩端加工完成後，再對摺中間夾入一片透氣絕緣層並壓緊(如圖5所示)；
按照透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質吸水層及陰極空氣電極依次排列，製得電堆單元及水發電金屬空氣電池；將所述水發電金屬空氣電池用緊束帶束緊。
本發明實施例提供的水發電金屬空氣電池的製備方法，結合所述水發電金屬空氣電池所需要具備的性能，調整所用材料及相關參數，使製備的水發電金屬空氣電池具備預設的性能。本發明實施例製備的水發電金屬空氣電池，不僅導電性能佳，而且製備過程中省去了焊接的麻煩；多個電堆單元串聯後的電池的電壓也顯著增加，因此可用以配合不同電壓需求的需電裝置使用。此外，所用材料的特性，通過優化所用具體原料及其具體用量，不僅降低了生產成本，而且降低了生產時間，提高了生產效率。
按照本發明第三和第四實施例提供的技術方案製備水發電金屬空氣電池a，並按照相同的技術方案、只是將其中的石墨烯陰極空氣電極分別替換成常規的聚四氟乙烯陰極、纖維紙碳層陰極，分別獲得金屬空氣電池b、c。對電池a，b，c進行性能測試，結果如圖6所示。從圖中可以看出，相較使用聚四氟乙烯或纖維紙碳層形成的空氣電極製備的電池，本發明實施例製備的水發電金屬空氣電池的性能更高。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。