[发明专利]用于金属/空气电池的正极和制造该正极的方法

说明书

本发明涉及用于金属/空气电池的正极(1)，其包含至少一个在活性材料中产生且具有空气侧(A)和金属侧(M)的活性层(2)，集电体(3)，和在疏水性材料中产生且沉积到活性层(2)的空气侧(A)上的疏水性膜(4)。所述疏水性材料具有多孔结构并渗透到活性层(2)的空气侧(A)中以在疏水性膜(4)与活性层(2)之间形成疏水性材料在活性材料中的渗透区(Z)，其中存在疏水性材料的浓度梯度，其在空气进入正极的进入方向上降低。

发明领域

本发明涉及用于金属/空气电池的正极(cathode)，其包含至少一个在活性材料中产生且具有空气侧和金属侧的活性层，集电体，和在疏水性材料中产生且沉积到活性层的空气侧上的膜。本发明还涉及制造该正极的方法，以及包含该正极的金属/空气电池。

发明背景

用于金属/空气电池的正极通常用于纽扣电池中。它具有圆盘形状，位于外壳中提供的通风孔下面。空气扩散纸通常位于外壳与正极之间。与其它类型的电池相反，金属/空气电池中的正极应当仅储存电池的即时需求所需的量的电活性材料(通常氧气)，其余通过通风孔由外部一点一点地置换。为此，正极可由非常薄的条生产，容许电池的大部分体积可用于负极(anode)(例如在锌/空气电池的情况下，锌)。

金属/空气电池的正极由至少一个集电体(例如镍网)形成，其引导电子从电池的外壳至催化剂、空气和电解质以及帮助电子转向氧气的催化剂，将其还原以形成氢氧化物，因此产生电流。该催化剂为例如锰的氧化物。

生产金属/空气电池的正极的困难源自这一事实：催化剂必须同时与集电体(固体)、空气(气体)和电解质(液体)接触。成功地使这三个相共同存在于最大可能表面上是特别复杂的。为解决该问题，增加空气、电解质和催化剂之间的界面，因此改进电池的功率的一种方案在于赋予正极一定疏水性。正极组合物中疏水性添加剂的添加使得可避免整个正极被电解质淹没，因此留下空气更好地渗透到正极中的空间。为此，通常使用疏水性粘合剂，例如粉末或水分散体形式的聚四氟乙烯(PTFE)。该疏水性粘合剂的添加使得可作为PTFE浓度的函数提高正极的功率，但是仅提高至最佳浓度(通常15-20％)，超过该值，电池的功率降低。该功率损失是由于PTFE在整个正极中的均匀分散，这具有降低导电率(由碳颗粒形成的网络的渗透被PTFE间断)和同样降低正极中电解质的量的作用。

增加空气、电解质和催化剂之间的界面的另一方案由使用具有多孔结构的正极组成，这使得电解质和空气更好地渗透到正极中。通常，该多孔结构通过使用各种导电颗粒如导电碳(炭黑、石墨等)的颗粒的混合物得到。

该正极描述于例如专利申请US 2014/0308594中。根据该文件，正极包含具有多孔结构的活性层，其孔隙率在正极的空气侧与金属侧之间降低。描述了各种制造方法，其使得可得到具有在活性层厚度上的孔隙率梯度而不是均匀多孔结构的活性层。该孔隙率梯度是由于正极的活性层材料的固有孔隙率的变化，在其制造期间控制它。

专利FR 2785093同样描述了活性层具有孔且包含石墨颗粒的正极，其平均尺寸大于活性层的孔的平均直径。此外，正极包含扩散层，所述扩散层为沉积到活性层的空气侧上的疏水性膜。该疏水性膜为类型的，其由膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)制成。该正极通过制备糊形式的活性层，然后将糊涂布于集电体的一面上而得到。将类型的膜应用于另一面上。然后将正极干燥并挤压。在该正极中，疏水性膜由于其结构而保持恒定厚度，且其唯一的作用是使正极表面更加疏水性以提高它对淹没的抗性。

在商业电池中，金属/空气电池，主要是锌/空气电池由于它们的最高能量密度，目前用于听觉设备中。对于该应用，金属/空气电池必须每星期置换，因此在其寿命方面不是最佳化的，但在其功率方面是最佳化的。然而，对于涉及原电池的非常高电流峰值的应用如智能手表(connectedwatches)，需要得到具有更大功率的电池。金属/空气电池的功率受其正极限制，需要开发正极使得可得到电池功率的提高，电池功率在时间过程中仅轻微降低，因此变得在钟表制造应用中有用正极。