[发明专利]一种复合气体扩散电极和电池

说明书

本发明公开了一种复合气体扩散电极和电池，复合气体扩散电极包括气体扩散电极和分离膜层；分离膜层附着于气体扩散电极表面，用于阻隔气体扩散电极内外水分子的交换。本发明通过在气体扩散电极表面附着具有透氧阻水功能的分离膜层，在保证足够的氧传输能力的条件下，大幅降低了水蒸气在电极内外的交换传输，延长了电池放电时间，解决了现有金属空气电池因电解液与外界发生水分交换使得电解液中水分过多或过少，导致电池性能下降的问题。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种复合气体扩散电极和电池。

背景技术

气体扩散电极(Gas diffusion electrode)是一种高效氧还原电极，由于大量气体可以到达电极内部，且与电极内侧的整体溶液(电解质)相连通，可以组成一种三相(固、液、气)反应区域，其特有的固-液-气三相多孔结构能够促进氧还原反应的发生。随着电化学技术的发展，气体扩散电极在电能源领域得到广泛的应用，比如金属/空气电池、燃料电池等。

在金属空气电池中，空气电极承担氧气扩散、氧气还原、阻挡电解液泄露等作用，这就使得金属空气电池是一个半开放体系：氧气等反应气体需要透过气体扩散电极传输，与此同时，电解质中的水分与空气中的水分，也可通过气体扩散电极传输，导致金属空气电池电解液中水分流失或过多，对电池性能造成影响：当空气湿度高于电解质的平衡湿度时，水分由空气向电解液侧扩散，导致电解液稀释，体积增大，并逐渐撑破电池壳体，导致漏液；当空气湿度低于电解质的平衡湿度时，水分由电解液向空气侧扩散，导致电解液水分流失，逐渐干涸，导致金属空气电池失效。以金属空气电池常使用的30％KOH电解液为例，其平衡相对湿度为59％RH，而空气湿度随着城市的不同与月份的不同发生会发生较大变化，比如海口等沿海城市，空气湿度常年在60％以上；拉萨等西北城市在11月-来年2月的空气湿度可能不到20％，但在6月-9月的空气湿度却能达到60％，因此金属空气电池通过空气电极的水分交换不可避免。

现有技术中，通过调节气体扩散电极的孔结构和亲疏水性能来控制水分的传输。减小气体扩散电极的孔径，但是孔径的减小在降低了电池内外水分交换的同时，也降低了氧气的传输能力，导致电池反应气体供应不足，电池性能下降；提高气体扩散电极的疏水性，能够控制液态水的传输，但是对于气态水分子并没有效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种复合气体扩散电极和电池，通过在气体扩散电极上增加分离膜层，在保证气体扩散电极的气体传输能力的同时，降低水分的交换。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明一方面，提出了一种复合气体扩散电极，包括气体扩散电极和分离膜层；

分离膜层附着于气体扩散电极表面，用于阻隔气体扩散电极内外水分子的交换。

优选地，气体扩散电极包括扩散层；

分离膜层附着于所述扩散层外表面。

优选地，分离膜层由膜聚合物、成膜无机材料中的至少一种组成；

膜聚合物为聚烯烃、聚砜、聚酰胺、聚酯、含硅聚合物、含氟聚合物中的一种或二种以上；

成膜无机材料为Pd及其合金、SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、分子筛、石墨烯、碳纳米管中的一种或二种以上。

优选地，分离膜层为多孔膜层，厚度为0.1-20μm，孔径为0.1nm-20μm。

优选地，分离膜层在气体扩散电极表面的覆盖度为20％-100％。

优选地，分离膜层通过在所述气体扩散电极表面原位生成的方式附着在所述气体扩散电极表面。

优选地，分离膜层通过热压成型的方式附着在所述气体扩散电极表面。