CN106611858B - 无碳空气电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无碳空气电极及其制备方法。其中，该无碳空气电极包括：泡沫金属层；催化层，所述催化层覆盖在所述泡沫金属的至少部分表面上；以及防水层，所述防水层覆盖在所述催化层和所述泡沫金属的表面上，且所述防水层具有透气孔道。该无碳空气电极避免了现有空气电极的催化层中含碳的问题，解决了空气电极的碳化问题，延长了使用寿命，提高了放电效果。

Description

无碳空气电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属燃料电池领域，具体地，涉及无碳空气电极，以及制备无碳空气电极的方法。
背景技术
现有的空气电极的制备工艺，都是将催化膜，防水膜单独压制好之后与导电集流体压合成空气电极，催化剂制备、催化膜及防水膜的压制工艺繁琐，产量低，制备出的空气电极一致性差；导电碳的使用导致空气电极使用过程中存在严重的碳化问题，影响空气电极的使用寿命。
由此，现有的空气电极有待改进。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种无碳空气电极，该电极的解决了碳化问题，使用寿命长。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种无碳空气电极。根据本发明的实施例，该无碳空气电极包括：泡沫金属层；催化层，所述催化层覆盖在所述泡沫金属层的至少部分表面上；以及防水层，所述防水层覆盖在所述催化层和所述泡沫金属层的表面上，且所述防水层具有透气孔道。
根据本发明实施例的无碳空气电极，避免了现有空气电极的催化层中含碳的问题，解决了空气电极的碳化问题，延长了使用寿命，提高了放电效果；该催化层与集流体紧密结合，降低空气电极的极化。
另外，根据本发明上述实施例的无碳空气电极还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述催化层是由钴酸镍纳米粒构成的。
根据本发明的实施例，所述泡沫金属层为选自铜、镍、镍铬铁合金、锌铜合金、镍铜合金、镍铬钨合金和镍铁合金的至少一种构成的。
根据本发明的实施例，所述催化层与所述泡沫金属层的质量比为0.1-10：100。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前述空气电极的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：在泡沫金属的至少部分表面形成催化层；将表面形成所述催化层的泡沫金属与防水透气膜进行压合处理，在所述催化层和所述泡沫金属的表面上形成防水层，以便得到空气电极中间体；以及将所述空气电极中间体进行焙烧处理，以便得到空气电极。
根据本发明实施例的方法，制备得到的空气电极不含碳，避免了现有空气电极的催化层中含碳的问题，解决了空气电极的碳化问题，延长了使用寿命，提高了放电效果。
另外，根据本发明上述实施例的制备前述空气电极的方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，利用水热合成法在所述泡沫金属的至少部分表面形成所述催化层。
根据本发明的实施例，在所述泡沫金属的至少部分表面形成所述催化层的步骤包括：
配置水热反应液；将泡沫金属进行清洁处理，以便得到清洁后的泡沫金属；以及将所述水热反应液和所述清洁后的泡沫金属置于水热反应釜中进行水热反应，以便在所述泡沫金属的至少部分表面形成所述催化层。
根据本发明的实施例，所述水热反应液含有硝酸钴、硝酸镍、尿素、乙醇和分散剂。
根据本发明的实施例，所述硝酸钴的浓度为5-20g/L，所述硝酸镍的浓度为30-60g/L。所述尿素的浓度为5-20g/L，所述乙醇的浓度为5-10g/L，所述分散剂的浓度为1-10g/L。
根据本发明的实施例，所述水热反应的反应温度为90-300℃，反应时间为2-24小时。
根据本发明的实施例，所述压合处理的压力为10-20MPa，保压时间为0.5-5分钟。
根据本发明的实施例，所述焙烧处理的温度为200-350℃，时间为1-4小时。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的无碳空气电极的结构示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的制备空气电极的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种无碳空气电极。参考图1，根据本发明的实施例，对该无碳空气电极进行解释说明。该无碳空气电极包括：泡沫金属层2、催化层3和防水层1。下面逐一对该无碳空气电极的各组成部分进行解释说明，具体如下：
泡沫金属层2：根据本发明的实施例，泡沫金属层作为集流体导出电流。由于泡沫金属具有密度小，比表面积大，导电性能良好的优点，由此，集流体的性能更佳。
根据本发明的实施例，泡沫金属层2为选自铜、镍、镍铬铁合金、锌铜合金、镍铜合金、镍铬钨合金和镍铁合金的至少一种构成的。上述泡沫金属的比表面积大，而比表面积很大的泡沫金属一方面能够为银粒子催化剂提供足够的附着面使得银粒子能够均匀低沉积在泡沫金属的表面，获得更好的催化活性，另一方面能够将放电产生的电流传输出去。
催化层3：根据本发明的实施例，催化层3覆盖在泡沫金属层2的至少部分表面上，利用催化层降低空气电极氧化还原的化学极化。
根据本发明的实施例，催化层3与泡沫金属层2的质量比为0.1-10：100。由此，催化层均匀分布在泡沫金属表面，催化反应产生的电流通过泡沫金属传导。
根据本发明的实施例，催化层是由钴酸镍纳米粒构成的。由此，催化颗粒分布均匀，比表面积大，催化活性好，与泡沫金属结合紧密，电子传导速度快，耐腐蚀性强。
发明人发现，钴酸镍纳米粒的粒径越小，比表面积越大，催化活性越好。但如果钴酸镍纳米粒的粒径过小，其制备工艺难度大，成本高，当钴酸镍纳米粒的粒径为100-1000nm时，制备工艺相对简单，并且比表面积大，催化活性好，空气电极的电导率大，经济效益高。
防水层1：根据本发明的实施例，防水层1覆盖在催化层2和泡沫金属层2的表面上，且防水层1具有透气孔道4，使空气经透气孔道4进入电解液，并防止电池中的电解液渗漏出来。
根据本发明的一些实施例，透气孔道4的直径为5-30nm。由此，空气可以从该孔道进入电解液，而水的粒径较大，无法经透气孔道渗漏出来。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前述空气电极的方法。参考图2，根据本发明的实施例，对制备前述空气电极的方法进行解释说明，该方法包括：
S100形成催化层
根据本发明的实施例，在泡沫金属的至少部分表面形成催化层。无需将催化层单独压制好后，再包覆在泡沫金属的表面，直接通过一步法在泡沫金属表面形成催化层，步骤简单，易于工业化生产。
根据本发明的实施例，利用水热合成法在泡沫金属的至少部分表面形成催化层。由此，采用水热合成法将催化剂直接生长在泡沫金属的基体上，无需将催化层单独压制好后，再包覆在泡沫金属的表面，步骤简单，易于工业化生产，并且产品的一致性好，并且，在表面形成的催化剂颗粒的粒度细小、比表面积大，催化活性高。
根据本发明的实施例，在泡沫金属的至少部分表面形成催化层的步骤包括：配置水热反应液；将泡沫金属进行清洁处理，去除泡沫金属表面的污垢和油脂，得到清洁后的泡沫金属；再将水热反应液和清洁后的泡沫金属置于水热反应釜中进行水热反应，在泡沫金属的至少部分表面形成催化层。由此，利用水热合成法一步即可将催化剂直接生长在泡沫金属的基体上，步骤简单，易于工业化生产，并且产品的一致性好，并且，在表面形成的催化剂颗粒的粒度细小、比表面积大，催化活性高。
根据本发明的实施例，水热反应液含有硝酸钴、硝酸镍、尿素、乙醇和分散剂。由此，利用该水热反应液进行水热反应，可以在泡沫金属的表面形成钴酸镍催化层，并且该水热反应液为无氰水热反应液，水热反应液安全无污染，成本低、得到的催化层与基体结合紧密，致密性好、催化活性高。
根据本发明的一些实施例，该水热反应液中硝酸钴的浓度为5-20g/L，硝酸镍的浓度为30-60g/L，尿素的浓度为5-20g/L，乙醇的浓度为5-10g/L，分散剂的浓度为1-10g/L。由此，催化层厚度均匀，形成的钴酸镍纳米粒的粒径小，比表面积大、致密性好、催化活性高。
根据本发明的实施例，水热反应的反应温度为90-300℃，反应时间为2-24小时。由此，反应生产的催化剂形貌生长完整，结晶形态好。
S200焙烧处理
根据本发明的实施例，将表面形成催化层的泡沫金属进行焙烧处理，由此，催化层能够与泡沫金属结合紧密，不易脱落。
根据本发明的实施例，焙烧处理的温度为200-350℃，时间为1-4小时。由此，催化层固化效果好。
S300形成空气电极
根据本发明的实施例，将电极中间体与防水透气膜进行压合处理，在催化层和泡沫金属的表面上形成防水层，得到空气电极。
根据本发明的实施例，压合处理的压力为10-20MPa，保压时间为0.5-5min。由此，防水透气膜紧密地贴合在泡沫金属的表面上，空气电极表面的防水透气层可以有效防止电池中的电解液渗漏同时能够允许空气通过。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
利用本发明实施例的方法制备空气电极，具体步骤如下：
(1)配制成分如下的水热反应液：硝酸钴15g/L，硝酸镍40g/L，尿素10g/L，乙醇8g/L，分散剂5g/L。
(2)将泡沫金属经过酒精除油后超声清洗干净，得到干净的泡沫金属。
(3)将干净的泡沫金属加入水热反应釜中，然后将干净的泡沫金属浸入到水热反应液中，泡沫金属上部露出液面。
(4)将水热反应釜密封并加热，进行水热反应，反应温度为200℃，反应时间5h。
(5)反应完成后将反应釜冷却至室温后开启并将泡沫金属取出，清水冲洗后放入炉中进行焙烧，焙烧温度200-350℃，焙烧时间1-4h。
(6)焙烧后的泡沫金属取出并与防水透气膜进行压合，压力10-20MPa，保压0.5-5min后，得到空气电极。
(7)对空气电极进行放电测试，放电电流密度达到300mA/cm2，使用寿命达到3000h以上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种无碳空气电极，其特征在于，包括：
泡沫金属层；
催化层，所述催化层覆盖在所述泡沫金属层的至少部分表面上；以及
防水层，所述防水层覆盖在所述催化层和所述泡沫金属层的表面上，且所述防水层具有透气孔道，
其中，所述透气孔道的直径为5-30nm，所述催化层是由钴酸镍纳米粒构成的，所述钴酸镍纳米粒的粒径为100～1000nm，所述催化层与所述泡沫金属层的质量比为0.1-10：100。
2.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述泡沫金属层为选自铜、镍、镍铬铁合金、锌铜合金、镍铜合金、镍铬钨合金和镍铁合金的至少一种构成的。
3.一种制备权利要求1或2所述空气电极的方法，其特征在于，包括：
在泡沫金属的至少部分表面形成催化层；
将表面形成所述催化层的泡沫金属进行焙烧处理，以便得到电极中间体；以及
将所述电极中间体与防水透气膜进行压合处理，在所述催化层和所述泡沫金属的表面上形成防水层，以便得到空气电极。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用水热合成法在所述泡沫金属的至少部分表面形成所述催化层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述泡沫金属的至少部分表面形成所述催化层的步骤包括：
配置水热反应液；
将泡沫金属进行清洁处理，以便得到清洁后的泡沫金属；以及
将所述水热反应液和所述清洁后的泡沫金属置于水热反应釜中进行水热反应，以便在所述泡沫金属的至少部分表面形成所述催化层，
任选地，所述水热反应液含有硝酸钴、硝酸镍、尿素、乙醇和分散剂，
任选地，所述硝酸钴的浓度为5-20g/L，所述硝酸镍的浓度为30-60g/L，所述尿素的浓度为5-20g/L，所述乙醇的浓度为5-10g/L，所述分散剂的浓度为1-10g/L。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水热反应的反应温度为90-300℃，反应时间为2-24小时。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述压合处理的压力为10-20MPa，保压时间为0.5-5分钟。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述焙烧处理的温度为200-350℃，时间为1-4小时。
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