本發(fā)明屬于金屬空氣電池領(lǐng)域，尤其涉及一種陰極空氣電極、水發(fā)電金屬空氣電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

水發(fā)電金屬空氣電池原理是運(yùn)用既有的活性金屬透過碳元素層與氧分子接觸而發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生電流。大多數(shù)水發(fā)電金屬空氣電池都是將金屬陽極置于電解液槽中，而空氣電極置于槽體的側(cè)壁，氧氣透過具防水透氣的空氣電極進(jìn)入到電解液槽中與金屬離子產(chǎn)生氧化反應(yīng)。

上述水發(fā)電金屬空氣電池電解液槽體積大、攜帶不便，并且需要反復(fù)經(jīng)常更換電解液，使用上較為不便。為解決這一技術(shù)問題，部分研究人員將金屬空氣電池的空氣電極透過一層吸水層與金屬陽極接觸，使其更近距離地接觸反應(yīng)。這種水發(fā)電金屬空氣電池在加水前不反應(yīng)、不自損，可長時(shí)間儲備，攜帶方便、重量輕，而金屬陽極的能量密度高可以較長時(shí)效的工作放電。可適用于燈具、移動(dòng)通訊設(shè)備的充電等用途，提供長備、應(yīng)急、即時(shí)供電的加水后發(fā)電的供電電源。

然而，現(xiàn)有的水發(fā)電金屬空氣電池中，吸水層所用材料為防水性能較佳的聚四氟乙烯，而聚四氟乙烯不具導(dǎo)電性且內(nèi)阻大，這影響了膜片整體的導(dǎo)電性能，進(jìn)而造成電池空氣電極的性能不佳，進(jìn)而影響了電池的導(dǎo)電效能。此外，在一般的水發(fā)電金屬空氣電池的制備過程中皆包含了防水透氣層及催化層的制備，這兩者的用料、工序制程等都相近，工序耗時(shí)且材料成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種水發(fā)電金屬空氣電池的陰極空氣電極及其制備方法、一種水發(fā)電金屬空氣電池及其制備方法，旨在提高水發(fā)電金屬空氣電池的導(dǎo)電性能和電壓，同時(shí)降低其生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時(shí)間。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種水發(fā)電金屬空氣電池的陰極空氣電極，所述陰極空氣電極包括催化層和防水透氣集電層；所述催化層包括石墨烯和納米銀，所述防水透氣集電層包括泡沫鎳集電網(wǎng)和納米銀；其中，所述防水透氣集電層中的納米銀依附在所述泡沫鎳集電網(wǎng)的網(wǎng)孔中。

進(jìn)一步地，所述納米銀的粒徑為15-35nm。

進(jìn)一步地，所述石墨烯與所述催化層中的納米銀的質(zhì)量比為1:8-10；所述石墨烯和所述催化層中的納米銀在所述催化層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％-10％。

進(jìn)一步地，所述催化層還包括催化劑，所述催化劑包括氧化銀及二氧化錳；所述氧化銀在所述催化層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％-10％，所述二氧化錳在所述催化層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％-15％。

本發(fā)明還提供了一種水發(fā)電金屬空氣電池，包括至少兩組電堆單元，且相鄰電堆單元之間層迭排列，所述電堆單元包括透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質(zhì)吸水層及上述的陰極空氣電極，所述透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質(zhì)吸水層及陰極空氣電極順次排列；所述水發(fā)電金屬空氣電池還包括若干個(gè)金屬連接片；所述至少兩組電堆單元從上至下依次排列，且在相鄰的兩個(gè)電堆單元之間中，較上的電堆單元的陰極空氣電極與較下的電堆單元的活性金屬陽極通過所述金屬連接片連接。

進(jìn)一步地，所述金屬連接片的兩端分別嵌入所述較上的電堆單元的陰極空氣電極與較下的電堆單元的活性金屬陽極中。

進(jìn)一步地，所述金屬連接片為U形連接片，所述U形連接片包括用于固定所述金屬陽極的鉚釘及用于固定所述陰極空氣電極的釘爪。

進(jìn)一步地，所述透氣絕緣層為可透過空氣的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所述透氣絕緣層的材質(zhì)為絕緣塑料。

本發(fā)明還提供了一種上述的陰極空氣電極的制備方法，包括：

催化層制備步驟：在溶劑中加入活性碳、乙炔黑，再加入石墨烯及納米銀，進(jìn)行攪拌，并在攪拌過程中加入催化劑，制得催化層；所述攪拌溫度為40-60℃，攪拌時(shí)間為2-6小時(shí)；所述溶劑為乙醇或丙酮；

防水透氣集電層制備步驟：將納米銀噴涂于泡沫鎳的表面，恒溫干燥，制得防水透氣集電層；所述恒溫干燥的溫度為60-80℃；

陰極空氣電極制備步驟：以平壓加熱方式將制得的催化層和防水透氣集電層進(jìn)行熱壓黏合；所述加熱溫度為80℃-120℃，加熱時(shí)間為5-10分鐘。

本發(fā)明還提供了一種上述的水發(fā)電金屬空氣電池的制備方法，包括以下步驟：

準(zhǔn)備透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質(zhì)吸水層、陰極空氣電極及平面金屬片；所述平面金屬片的一端為鉚釘，另一端為帶釘爪形狀的釘爪；

將所述平面金屬片的鉚釘插穿活性金屬陽極的固定圓孔并壓合，將所述釘爪穿刺入陰極空氣電極并壓合；兩端加工完成后，再對折中間夾入一片透氣絕緣層并壓緊；

按照透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質(zhì)吸水層及陰極空氣電極依次排列，制得電堆單元及水發(fā)電金屬空氣電池；將所述水發(fā)電金屬空氣電池用緊束帶束緊。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明實(shí)施例所提供的水發(fā)電金屬空氣電池的陰極空氣電極中，在所述陰極空氣電極的催化層中通過使用石墨烯與納米銀，以納米銀作為單層石墨烯間的搭橋，使得石墨烯單層晶體結(jié)構(gòu)可以組合為多層，從而增加陰極空氣電極中碳極粉體的導(dǎo)電性，進(jìn)而提高水發(fā)電金屬空氣電池的導(dǎo)電性能。由此獲得的陰極空氣電極，整體的厚度較薄、用量較省，成本就較為低廉。相較使用聚四氟乙烯形成的空氣電極性能可提高60％-80％，相較纖維布/紙的碳層涂布的陰極電極性能可提高2-3倍。此外，所述陰極空氣電極的防水透氣集電層中以納米銀涂布于泡沫鎳集電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，該防水透氣集電層可同時(shí)作為集電網(wǎng)層及防水透氣層，可取代原本在防水透氣層中導(dǎo)電性不佳、內(nèi)阻大且用量比例高的聚四氟乙烯防水材料，從而提高電池的導(dǎo)電性，且降低生產(chǎn)成本。

進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)施例提供的水發(fā)電金屬空氣電池由若干個(gè)電堆單元層迭排列而成，相鄰的電堆單元之間間隔了透氣絕緣層；多個(gè)電堆單元層迭時(shí)，使用金屬連接片連接不同電堆單元的正極和負(fù)極，使其形成串聯(lián)回路，這不僅可以確保水發(fā)電金屬空氣電池使用過程中的導(dǎo)電性能，而且省去了焊接的麻煩。多個(gè)電堆單元串聯(lián)后的電池的電壓增加，可用以配合不同電壓需求的需電裝置使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的石墨烯與納米銀進(jìn)行結(jié)合的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的水發(fā)電金屬空氣電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的水發(fā)電金屬空氣電池的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3b是水發(fā)電金屬空氣電池的分解結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的U形連接片及其與活性金屬陽極、陰極空氣電極連接的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的活性金屬陽極與陰極空氣電極之間夾入透氣絕緣層的制備過程示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的電池a，b，c的性能測試結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明第一實(shí)施例提供了一種水發(fā)電金屬空氣電池的陰極空氣電極，所述陰極空氣電極包括催化層和防水透氣集電層；所述催化層包括石墨烯和納米銀，所述防水透氣集電層包括泡沫鎳集電網(wǎng)和納米銀，其中，所述防水透氣集電層中的納米銀依附在所述泡沫鎳集電網(wǎng)的網(wǎng)孔中。

如圖1所示，圖1中a為單層石墨烯，b為納米銀。在所述催化層中通過使用石墨烯與納米銀b，以納米銀b作為單層石墨烯a間的搭橋，使得石墨烯單層晶體結(jié)構(gòu)可以組合為多層，從而增加陰極空氣電極中碳極粉體的導(dǎo)電性，進(jìn)而提高水發(fā)電金屬空氣電池的導(dǎo)電性能。由此獲得的陰極空氣電極，整體的厚度較薄、用量較省，成本就較為低廉。相較使用聚四氟乙烯形成的空氣電極性能可提高60％-80％，相較纖維布/紙的碳層涂布的陰極電極性能可提高2-3倍。此外，以納米銀涂布于泡沫鎳集電網(wǎng)可同時(shí)作為集電網(wǎng)層及防水透氣層，可取代原本在防水透氣層中導(dǎo)電性不佳、內(nèi)阻大且用量比例高的聚四氟乙烯防水材料，從而提高電池的導(dǎo)電性，且降低生產(chǎn)成本。

具體地，所述納米銀的粒徑為15-35nm，優(yōu)選25nm。所述石墨烯與所述催化層中的納米銀的質(zhì)量比為1:8-10；所述石墨烯和所述催化層中的納米銀在所述催化層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％-10％。

所述催化層包括催化劑，所述催化劑包括氧化銀及二氧化錳；所述氧化銀在所述催化層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％-10％，所述二氧化錳在所述催化層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％-15％。所述催化劑對金屬空氣電池電池中的氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行具有顯著促進(jìn)作用，通過調(diào)整所述催化劑中氧化銀與二氧化錳的含量，使所述氧化還原反應(yīng)獲得最佳催化效果。

具體參見圖2，本發(fā)明第二實(shí)施例提供了一種水發(fā)電金屬空氣電池100，包括至少兩組電堆單元，且相鄰電堆單元之間層迭排列，所述電堆單元還包括透氣絕緣層1、活性金屬陽極2、電解質(zhì)吸水層3及陰極空氣電極4，所述透氣絕緣層1、活性金屬陽極2、電解質(zhì)吸水層3及陰極空氣電極4順次層迭排列；水發(fā)電金屬空氣電池100還包括若干個(gè)金屬連接片5；所述電堆單元從上至下依次排列，且相鄰的兩個(gè)電堆單元之間較上的電堆單元的陰極空氣電極4與較下的電堆單元的活性金屬陽極2通過金屬連接片5連接。

本發(fā)明實(shí)施例提供的水發(fā)電金屬空氣電池100由若干個(gè)電堆單元層迭排列而成，相鄰的電堆單元之間間隔了透氣絕緣層1；多個(gè)電堆單元層迭時(shí)，使用金屬連接片5連接不同電堆單元的正極和負(fù)極，使其形成串聯(lián)回路，這不僅可以確保水發(fā)電金屬空氣電池100使用過程中的導(dǎo)電性能，而且省去了焊接的麻煩。多個(gè)電堆單元串聯(lián)后的電池的電壓增加，可用以配合不同電壓需求的需電裝置使用。

具體地，金屬連接片5的兩端分別嵌入所述較上的電堆單元的陰極空氣電極4與較下的電堆單元的活性金屬陽極2中。

參見圖3及圖4，金屬連接片5為U形連接片，所述U形連接片包括用于固定所述金屬陽極的鉚釘51及用于固定所述陰極空氣電極的釘爪52?；钚越饘訇枠O2通過鉚釘51固定，鉚釘51可穿過活性金屬陽極片上的穿孔(圖中未示出)并壓鉚之；陰極空氣電極4通過釘爪52固定，釘爪52刺穿陰極空氣電極后將突出的釘爪壓平。

所述電堆單元通過緊束帶8束緊，以確保各電堆單元緊密貼合，確保水發(fā)電金屬空氣電池100的導(dǎo)電性能及其化學(xué)反應(yīng)所需的距離。

具體地，所述透氣絕緣層為可透過空氣的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所述透氣絕緣層的材質(zhì)為絕緣塑料。使用網(wǎng)格形狀的透氣絕緣層，可以增加空氣的流通、提高較充足的氧氣，讓氧化反應(yīng)效能提高。網(wǎng)格的塑料材質(zhì)可以絕緣，以避免水份加多時(shí)可能造成不同電堆單元短路。

具體地，電解質(zhì)吸水層3依照不同需要，預(yù)先浸泡電解液，然后烘干，在不加水時(shí)不會造成正負(fù)極間的反應(yīng)，僅有在加水后溶解電解液材料后才會促使電池反應(yīng)；適當(dāng)條件下加清水(純水亦可)。使用高分子吸水材質(zhì)可以使水分的保持能力較佳，以延長單次加水時(shí)的使用時(shí)間。

本發(fā)明第三實(shí)施例提供了一種上述的陰極空氣電極的制備方法，包括：

催化層制備步驟：在溶劑中加入活性碳、乙炔黑，再加入石墨烯及納米銀，進(jìn)行攪拌，并在攪拌過程中加入催化劑，制得催化層；所述攪拌溫度為40-60℃，攪拌時(shí)間為2-6小時(shí)；所述溶劑為乙醇或丙酮；

防水透氣集電層制備步驟：將納米銀噴涂于泡沫鎳的表面，恒溫干燥，制得防水透氣集電層；所述恒溫干燥的溫度為60℃-80℃；

陰極空氣電極制備步驟：以平壓加熱方式將制得的催化層和防水透氣集電層進(jìn)行熱壓黏合；所述加熱溫度為80℃-120℃，加熱時(shí)間為5-10分鐘。

結(jié)合所述陰極空氣電極所需要具備的性能，在實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例提供的陰極空氣電極的制備方法時(shí)調(diào)整所用物質(zhì)及相關(guān)參數(shù)即可，使制備的陰極空氣電極具備預(yù)設(shè)的性能。

具體地，在制備催化層時(shí)，也可以將所述石墨烯與納米銀以質(zhì)量比1:8-10調(diào)混合，并經(jīng)1-2小時(shí)的攪拌調(diào)和后添加入催化層中，石墨烯與納米銀混合漿料占催化層質(zhì)量比為5％-10％。

本發(fā)明第四實(shí)施例提供了一種上述的水發(fā)電金屬空氣電池的制備方法，包括以下步驟：

準(zhǔn)備透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質(zhì)吸水層、陰極空氣電極及平面金屬片；所述平面金屬片的一端為鉚釘，另一端為帶釘爪形狀的釘爪；

將所述平面金屬片的鉚釘插穿活性金屬陽極的固定圓孔并壓合，將所述釘爪穿刺入陰極空氣電極并壓合；兩端加工完成后，再對折中間夾入一片透氣絕緣層并壓緊(如圖5所示)；

按照透氣絕緣層、活性金屬陽極、電解質(zhì)吸水層及陰極空氣電極依次排列，制得電堆單元及水發(fā)電金屬空氣電池；將所述水發(fā)電金屬空氣電池用緊束帶束緊。

本發(fā)明實(shí)施例提供的水發(fā)電金屬空氣電池的制備方法，結(jié)合所述水發(fā)電金屬空氣電池所需要具備的性能，調(diào)整所用材料及相關(guān)參數(shù)，使制備的水發(fā)電金屬空氣電池具備預(yù)設(shè)的性能。本發(fā)明實(shí)施例制備的水發(fā)電金屬空氣電池，不僅導(dǎo)電性能佳，而且制備過程中省去了焊接的麻煩；多個(gè)電堆單元串聯(lián)后的電池的電壓也顯著增加，因此可用以配合不同電壓需求的需電裝置使用。此外，所用材料的特性，通過優(yōu)化所用具體原料及其具體用量，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且降低了生產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

按照本發(fā)明第三和第四實(shí)施例提供的技術(shù)方案制備水發(fā)電金屬空氣電池a，并按照相同的技術(shù)方案、只是將其中的石墨烯陰極空氣電極分別替換成常規(guī)的聚四氟乙烯陰極、纖維紙?zhí)紝雨帢O，分別獲得金屬空氣電池b、c。對電池a，b，c進(jìn)行性能測試，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，相較使用聚四氟乙烯或纖維紙?zhí)紝有纬傻目諝怆姌O制備的電池，本發(fā)明實(shí)施例制備的水發(fā)電金屬空氣電池的性能更高。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。