[发明专利]空气电极及其制备方法和包括空气电极的金属空气电池

说明书

本发明公开了一种空气电极及其制备方法和包括空气电极的金属空气电池。该空气电极是在集流体上直接生长催化剂，同时易于改变催化层厚度，可以省去粘接剂，将催化剂与集流体稳固连接，减缓金属空气电池工作过程中的催化剂流失，同时降低空气电极内部电阻。相比于传统金属空气电池空气电极，本发明的空气电极制备方法适于调控催化层亲疏水程度和电极反应区中三相反应的接触位点密度，且制备工艺简单，易于进行批量生产。采用本发明的空气电极装配的金属空气电池具有较高的功率密度和较长的充放电循环寿命。

技术领域

本发明涉及金属空气电池技术领域，特别涉及一种空气电极及其制备方法和包括空气电极的金属空气电池。

背景技术

金属空气电池是一种以金属为阳极、空气中的氧气为阴极的电化学反应装置。金属空气电池能量密度高、结构简单轻便，通常作为金属空气电池阳极材料的锌、铝、镁等金属储量丰富、价格低廉，已经在野外应急、储备电源、通讯电源等领域得到了一定的应用。与已经广泛应用的铅酸电池、锂离子电池相比，锌空气电池等金属空气电池较为安全环保，避免了电解质溶液易燃易爆炸及重金属污染等问题，有希望在人民生产生活的更多领域进行应用。

目前金属空气电池存在的主要问题是功率密度不高、充放电循环寿命较短和充放电电压差较大，这些特点限制了金属空气电池作为储能装置的应用。金属空气电池的性能不仅和催化剂的催化活性有关，还和空气电极的结构及制备工艺有关。

如图1所示，传统的空气电极结构包括疏水扩散层101、集流体102和催化层103，其中，催化层为含有催化剂粉末、导电材料、亲水材料、疏水材料的复合层，在长时间的放电或循环充放电过程中容易发生脱落，同时催化层过厚容易导致内阻较大，电子转移速率减缓，不利于提升金属空气电池的性能。因此开发制备工艺简单、有利于催化剂催化活性发挥的空气电极成为了金属空气电池开发及应该用的关键课题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种空气电极，该空气电极易于改变催化层厚度，且可以减缓金属空气电池工作过程中的催化剂流失，并同时降低空气电极内部电阻。

本发明的第二个目的在于提出一种空气电极的制备方法。

本发明的第三个目的在于提出一种金属空气电池。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种空气电极包括：疏水扩散层；催化导电复合层，所述催化导电复合层包括至少一个生长有催化剂的集流体与疏水材料。

本发明实施例的空气电极，在集流体上直接生长催化剂，同时易于改变催化层厚度，可以省去粘接剂，将催化剂与集流体稳固连接，减缓金属空气电池工作过程中的催化剂流失，同时降低空气电极内部电阻。

另外，根据本发明上述实施例的空气电极还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述集流体包括镍金属、镍合金和碳纤维布中的一种或多种。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述催化剂为碳材料、金属、金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物、金属磷化物及其含缺陷或异质原子掺杂化合物中的一种或多种的组合。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述催化剂通过水热反应或电沉积生长于所述集流体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述至少一个集流体的数量处于[1，10]区间。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述疏水材料为PTFE、Nafion中的一种或两种的组合。