[发明专利]一种溶解氧海水电池的亲水阴极及其制备和应用

说明书

本发明提供一种溶解氧海水电池的亲水阴极及其制备和应用,所述溶解氧海水电池的亲水阴极，包括导电基底材料、沉积于憎水导电基底材料表面导电聚合物薄膜和负载于导电聚合物表面的催化剂‑粘结剂复合胶体颗粒；催化剂‑粘结剂复合胶体颗粒为亲水型粘结剂与催化剂纳米颗粒的复合材料。所述方法通过在憎水导电基底材料表面原位生长一层具有亲液、导电、具有纳米结构的高分子聚合物薄膜层，可大幅提高电极的表面粗糙度，有效提高阴极氧还原反应的有效活性面积；同时利用粘结剂与导电聚合物间的相互作用将催化剂纳米颗粒锚定在导电聚合物纳米结构中，可大幅改善金属海水溶解氧阴极的阴极放电性能，提高电池的放电性能和运行稳定性。

技术领域

本发明涉及一种基于溶解氧的海水燃料电池的阴极及制备方法，属于电化学技术领域。

背景技术

由于地球上四分之三的表面被海洋所覆盖，因此海洋资源开发极为重要。海洋资源开发包括海底资源探测、科学研究、生态研究、地震监测的仪器装备均离不开电能源。目前海底水下装备、仪器所需要的电能源一般需通过电缆线从海面引入，或是基于密封于耐高压的容器中的二次电池如锂电池、铅酸电池、碱性电池等供应电能。然而不论是从海面电缆输送的电能或是容器内封闭的二次电池，都使得电能源的供应变得异常复杂、工作成本大大增加、给海洋的生态环境带来破坏。如何利用海水自身环境及资源发电并对仪器设备提供电能，是海洋资源开发中的重要课题之一。

戴维斯于1860年曾发明了一种高性能的AgCl/海水燃料电池。该电池以Mg合金为阳极，AgCl为阴极活性材料，海水为液体电解质。基于AgCl和Mg合金在海水电解质中还原电位的差异，Mg/AgCl海水电池的理论开路电压可达2.585V，实际电压为1.6V。通过将数个单池进行堆叠和组合得到的电池组系统可以获得较高的工作电压。该Mg/AgCl海水电池可为海洋观测仪器、无线航标、海难遇险呼救设备等提供电源。然而由于AgCl海水燃料电池的原材料价格较贵，且生产成本高，限制了其规模应用。

金属-溶解氧海水电池是一种以价格低廉的Mg、Al、Zn等为阳极活性物质，海水中的溶解氧为阴极活性物质，海水自身为电解质的燃料电池。由于该类燃料采用海水自身为电解质、海水中的溶解氧为阴极活性物质，固体的Mg、Al、Zn等高储能金属为阳极，电池运行过程中不需要额外的电解质及阴极活性物质供给体系，电池能量密度高、维护成本低，特别适用于长期在海下工作的小功率电子仪器如水下通讯设备、海下导航仪、航标灯、海底地震监测仪、深海大洋智能浮标等。由于金属-溶解氧海水电池以海水中溶解的氧气为氧化剂，浓度低，约为5-10ppm，因此要求阴极具有良好的传质性能、较大的比表面积和较高的催化性能，同时由于电池寿命长，要求阴极必须具有良好的稳定性。碳纤维是目前公开报道的性能较好阴极材料之一。挪威的Kongsberg Simrad AS公司开发了以碳纤维刷为阴极的Mg-溶解氧海水商品电池，商品型号分别为SWB600/1200(Sea-water battery for subseacontrol system,Journal of Power Source,1997,65:253-261)。日本东京大学曾采用基于碳纤维刷阴极的镁-溶解氧海水电池为深海地震探测仪连续供电5年(Practicalapplication of a sea-water battery in deep-sea basin and its performance，Journal of Power Sources,2009,187,253)。然而由于碳纤维刷电极对溶解氧的阴极还原反应的催化活性有限，导致电池的放电性能差，电池体积庞大。日本东京大学的镁溶解氧海水电池的长度约为2-3米，电池直接约为20-50厘米，然而其最大输出功率仅有42W。为提高溶解氧阴极放电性能，日本的Wilcock和Kauffman提出了以石墨碳为阴极的金属海水电池(Development of a seawater battery for deep-water applications，Journal ofPower Sources,1997,66:71-75)；中国海洋大学的徐海波则提出采用电化学或化学氧化法对海水电池的阴极碳纤维刷表面进行活化氧化，使之表面具有一层含有含氧的活性官能团和/或含氮的活性官能团，以提高其对溶解氧的催化性能。(海水溶解氧电池用正极及采用该正极的海水溶解氧电池，2011，中国专利，CN 103137943B)。