[发明专利]金属空气电池用阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属空气电池用阴极，具体地说是一种用于镁、铝、锌等金属空气电池用阴极；

本发明还涉及上述阴极的制备方法。

背景技术

金属空气电池是一种采用金属(如镁、铝、锌等)为阳极燃料，空气中氧气作为氧化剂，碱液或中性盐水作为电解质溶液的电化学反应装置。我国镁、铝、锌等金属储量丰富、且价格低廉，因此金属空气电池在我国通讯电源、野外应急电源、照明电源及储备电源等可移动电源的诸多领域具有广阔的应用前景。作为可移动电源，性能和稳定性是两个重要指标。而对于金属空气电池，阴极是影响电池性能和稳定性重要部件之一。阴极制备技术也是金属空气电池的核心技术，国际上很多国家也将相关技术保密而不予公开。因此，开发高性能、良好稳定性的阴极，对于金属空气电池的开发及应用具有十分重要的意义。

传统的金属空气电池阴极制备方法是通过机械方法压制多层复合结构(一般为，载有催化剂的碳纸-镍网-载有催化剂的碳纸-聚四氟乙烯微孔膜加压复合而成)，使用这种方法制备的电极结构难于优化，催化剂利用效率低、极化较大，从而导致性能较差。

在泡沫镍中填充碳和疏水材料(如PTFE)作为扩散层，可制备碱性条件下使用的空气电池的阴极。由于该阴极结构需兼顾气体扩散与电子传输，因此，扩散层中疏水材料含量不宜过高。然而，当将上述阴极在采用中性盐(如NaCl水溶液)为电解质的金属/空气电池中使用时，由于Cl^-的存在，使得以泡沫镍作支撑材料和集流体的电极腐蚀严重，寿命显著缩短。目前，国内外所采用的阴极大多沿用碱性金属空气电池所用阴极，还未见专门针对NaCl水溶液对阴极集流体镍腐蚀问题的研究报道。而金属空气电池阴极材料的导电性和耐腐蚀性也成为制约电极性能提高和使用寿命增长的关键问题。

发明内容

本发明针对现有金属空气电池阴极技术的不足，提出一种新型碳纤维毡基阴极结构及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种金属空气电池用阴极，包括依次叠合设置的催化层、疏水扩散层和集流层；

催化层由催化剂和憎水剂混合而成，以碳载锰氧化物为催化剂，PTFE为憎水剂；

疏水扩散层为经PTFE乳液憎水化处理后的碳纤维毡；集流层为泡沫镍。

所述碳载锰氧化物为MnO/C、Mn₃O₄/C、Mn₂O₃/C、MnO₂/C中的一种或二种以上的混合物，催化层中催化剂担载量为2-10mg cm^-2，PTFE含量为10-40％。

所述碳纤维毡的厚度为2-10mm；所述PTFE占疏水扩散层总质量的40-85％。

所述阴极的制备方法，包括以下三个步骤，

(1)疏水扩散层的制备：

a.以水为溶剂配置浓度为10-50％的PTFE乳液；

b.选用厚度为2-10mm的碳纤维毡，并对其称重；

c.将上述步骤(1)b所述碳纤维毡浸渍于上述步骤(1)a配置好的PTFE乳液中，取出后在30℃-200℃下烘干，称重并计算PTFE含量；

d.重复上述步骤(1)c至PTFE含量达40-85％，即得疏水扩散层；

(2)催化层的制备：

a.于乙醇中加入碳载锰氧化物催化剂，搅拌使之混合均匀后，逐滴加入浓度40-60％的PTFE乳液，搅拌使之混合均匀以形成催化剂浆液；

b.采用刷涂、或刮涂、或喷涂、或滚压的方法将上述步骤(2)a所得催化剂浆液涂布于步骤(1)所得疏水扩散层上，至催化剂载量为1-10mgcm^-2后，于340℃-360℃条件下高温烧结30-60分钟，得基于疏水扩散层的催化层；

(3)阴极的制备：

a.剪裁与碳纤维毡相同形状和尺寸的泡沫镍，并将其置于步骤(2)所得催化层的疏水扩散层表面；

b.于5-20MPa的压强下将上述步骤(3)a中放置好的泡沫镍和催化层于80℃-200℃压合1-10min，取出后得金属空气电池用阴极。

所述步骤(2)a中所述碳载锰氧化物为MnO/C、Mn₃O₄/C、Mn₂O₃/C、MnO₂/C中的一种或二种以上的混合物。

所述步骤(2)a中每100毫升乙醇加入碳载锰氧化物的质量为20-50毫克。