[发明专利]一种铁氮碳催化剂金属空气电池阴极催化层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电池领域，尤其涉及一种铁氮碳催化剂金属空气电池阴极气体扩散催化层的制作工艺。

背景技术

金属空气燃料电池是一种直接把金属和氧气中的化学能连续地转换成电能的电化学发电装置，具有比能量高、原材料来源丰富、成本低、使用安全方便、无污染等特点备受重视。

金属空气电池的阴极为气体扩散电极，一般由催化层、收集电流层、气体扩散层三者组合而成，在金属空气电池结构中，催化层与电池中的液体电解液相接触，电极另一面则朝向空气。金属空气电池的阴极催化层一般由氧还原催化剂、导电碳粉、憎水粘结剂构成，是氧气反应的场所；收集电流层一般由金属网或泡沫金属构成，是扩散层中电子与外电路连通的通道；气体扩散层一般由碳粉、憎水粘结剂构成，主要起到透气并防止电解液泄漏的作用。金属空气电池工作时，空气中的氧气发生还原反应，而阳极的金属发生氧化反应，从而在阴阳极间的外电路上产生可通过的电流。氧气还原反应部位为催化剂表面的气-固-液三相界面，因此催化层要求有畅通的气体传输通道，电子传输通道和氢氧根离子的传输通道，是整个气体扩散电极最为核心的部分，国际上很多国家都将催化层制备的相关技术保密而不予公开。因此，阴极催化层的制备技术也是金属空气电池的核心关键技术。金属空气电池中通常采用的催化剂为碳载铂、钼合金、银等贵金属催化剂，但这类催化剂价格昂贵、资源受限。所以，寻找高活性、低成本的非贵金属催化剂也是金属空气电池领域研究的热点问题之一。开发基于非贵金属催化剂的高性能、良好稳定性的阴极催化层，对于金属空气电池的开发及应用具有十分重要的意义。

美国专利US.4927514揭示了一种用铂黑加疏水粘结剂制备空气阴极催化层的方法。采用铂黑作催化剂使得电池成本昂贵不经济。美国专利US.5032473揭示了一种采用高锰酸钾做催化剂，同8～20％(干重百分比)的碳粉和疏水卤代聚合物粘结形成催化层的方法，这类催化剂虽然较贵金属催化剂要便宜得多，但催化剂活性与贵金属催化剂相比有数量级上的差距，并且催化层还需要作700℃后续热处理，工艺要求苛刻。中国专利CN103165902A公布了一种金属空气电池多层复合阴极制备方法，采用锰氧化物作为催化剂，催化剂与碳粉、粘结剂混合后直接涂敷在PTFE乳液憎水化处理后的编制碳纤维毡表面形成催化层。虽然编制碳纤维毡的大比表面特性增加了催化层的三相反应界面，但也容易使催化剂掉落到其空隙当中，降低催化剂的利用率。专利中指出编制碳纤维毡的厚度达到2～10mm,，气体扩散路径太长，不利于气体传质。同时，编制碳纤维毡的价格也非常昂贵，这种金属空气电池的成本很难降低。中国专利CN1543000A公布了一种用于金属空气电池的锰催化空气阴极的制作工艺，所述催化层是由碳黑和锰催化剂、粘结剂组成的膏状物，采用连续网格涂覆或层压法注满多孔金属泡沫基体经烧结而成。同样具有与上述专利相同的催化剂利用率低、催化层厚的问题。并且，金属泡沫基体与锰催化剂、碳粉结合力差，长时间催化剂容易从金属泡沫基体表面脱落，造成电池性能衰竭和电极漏液现象。

锰氧化物虽然较贵金属催化剂的价格要低廉的多，但到目前为止，电催化氧还原活性还是要远低于贵金属催化剂。最近几年，在氢氧燃料电池中铁氮碳(Fe-N-C)非贵金属氧还原催化剂获得重大进展，在酸性电解质体系下，有接近贵金属铂的初始催化活性，但寿命和稳定性较差。有研究者转而研究铁氮碳催化剂在碱性和中性盐条下的电催化氧还原活性，在半电池中铁氮碳催化剂也表现出了接近贵金属铂的催化活性，并且稳定性非常好，这也为金属空气电池催化剂的选择提供了一个方向。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种铁氮碳催化剂的金属空气电池阴极催化层的制备方法。所述金属空气电池的空气阴极催化层包括催化剂、导电碳材料、憎水粘结剂。其特征在于：所述催化剂是铁氮碳非贵金属催化剂；所述导电碳材料由短切碳纤维或碳纳米管构成；所述憎水粘结剂是聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)；所述铁氮碳催化剂金属空气电池阴极催化层是由催化剂、导电碳材料、憎水粘结剂、有机溶剂、造孔剂混合成的膏状物在滚压机上滚压成薄膜，经热处理而成。具体制作工艺为：