一種金屬空氣電池用正極材料及其正極制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬空氣電池用正極材料及其正極制備方法，包括以下重量百分比組分：MxFe3?xO4 2?6％，二氧化碳吸附劑0.5?3％，活性炭5?10％，超導(dǎo)電乙炔黑0.5?4％，膨脹石墨0.5?2％，95％乙醇10?70％，PTFE乳液7?80％,所述MxFe3?xO4中的X<3,M為Fe,Cu,Co,Mn中的一種。本發(fā)明能夠降低電池過(guò)電位，延長(zhǎng)電池壽命，并且能降低電解液碳酸化。本發(fā)明正極材料具有廣泛適用性，對(duì)于涂布、浸涂和輥壓法都適用。本發(fā)明正極材料所制得的電池具有高功率(>1W，一個(gè)電池單體)的放電性能和1A電流放電下高電池容量(>6000mAh，一個(gè)電池單體)。
【專利說(shuō)明】-種金屬空氣電池用正極材料及其正極制備方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種金屬空氣電池用正極材料及其正極制備方法，屬于電化學(xué)能源技 術(shù)領(lǐng)域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 金屬空氣電池是W金屬(鋒、裡、侶、儀等)和氧氣為燃料將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?有無(wú)毒、無(wú)污染、放電電壓平穩(wěn)、高比能量、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，與現(xiàn)有的鉛酸、儀氨 等電池相比，金屬空氣電池具有更高的能量密度和比能量。對(duì)于此類電池，其正極采用的催 化劑材料和配方?jīng)Q定了整個(gè)電池的性能，也是其量產(chǎn)化應(yīng)用上的關(guān)鍵要素。
[0003] 金屬空氣電池中正極中的催化劑起到催化還原氧氣的作用，所用到的催化劑種類 有貴金屬催化劑，主要為銷、金、銀或其合金、金屬馨合物等，其缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴;還有金 屬馨合物，其缺點(diǎn)為制作工藝復(fù)雜，對(duì)于制作的電池長(zhǎng)期儲(chǔ)存有困難;還有儘的氧化物催化 劑，其缺點(diǎn)在于電流密度較低，對(duì)于既要符合量產(chǎn)化生產(chǎn)需要又要符合具有高的電流密度 的催化劑，運(yùn)是制約金屬空氣電池大規(guī)模量產(chǎn)的重要因素之一。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適合量產(chǎn)，并能高功率放電的金 屬空氣電池用正極材料。
[0005] 本發(fā)明的另一目的是提供一種應(yīng)用上述正極材料的正極制備方法。
[0006] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用W下技術(shù)方案：
[0007] -種金屬空氣電池用正極材料，其特征在于包括W下重量百分比組分：
[000引
[0009] 所述MxF巧-x〇4中的X<3，M為Fe，Cu，Co ,Mn中的一種。
[0010] 本發(fā)明中的MxFe3-x〇4為納米顆粒催化劑，用于催化還原空氣中的氧氣，本發(fā)明催化 劑在堿性溶液中表現(xiàn)較好的催化穩(wěn)定性，對(duì)于降低電池過(guò)電位，延長(zhǎng)電池壽命起到關(guān)鍵性 作用。本發(fā)明中催化劑MxFe3-x〇4的粒徑小于100皿，優(yōu)選20-50皿。
[0011] 本發(fā)明中的二氧化碳吸附劑為氨氧化儀、氨氧化巧和氯化巧中的一種或幾種。用 于減少空氣中二氧化碳W減少其對(duì)電解液碳酸化的副作用。
[0012] 本發(fā)明中活性炭主要吸附和分散納米催化劑，同時(shí)活性炭具有一定吸附空氣的作 用提高電池的放電性能。所W活性炭的吸附性能不能太強(qiáng)，如果太強(qiáng)會(huì)引起氧氣和活性炭 結(jié)合太牢固會(huì)與催化劑吸附空氣形成競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，反而降低整體的催化活性。所W就整體而 言要選擇比表面適中的活性炭，優(yōu)選過(guò)200-300目篩，亞甲基藍(lán)吸附值大于9ml/g。
[0013] 本發(fā)明中膨脹石墨用于導(dǎo)電和作為催化劑載體用。
[0014] 95%乙醇用于固液分散作用，95%為乙醇的體積濃度。
[001引本發(fā)明中的PTFE乳液的質(zhì)量濃度為60% ,PTFE乳液用于將各組分粘結(jié)在一起。 [0016]本發(fā)明正極材料制備正極方法采用涂布法時(shí)，其特征在于包括W下步驟：
[0017] a、將MxFe3-x〇4、二氧化碳吸附劑、活性炭、超導(dǎo)電乙烘黑和膨脹石墨加入95%乙醇， 待固體都充分濕潤(rùn)后，攬拌均勻，超聲分散均勻；
[0018] b、再在攬拌狀態(tài)下緩慢滴加 PTFE乳液，W 1000 rpm的轉(zhuǎn)速攬拌均勻形成粘稠狀膠 體，壓濾除去多余液體(即：多余乙醇），得到粘度適合涂布的混料(即：團(tuán)塊狀彈性凝膠體）；
[0019] C、將混料涂布在厚度為2.5mm的儀網(wǎng)上，放置于防水等級(jí)IP為68的防水透氣膜上， 120-150°C真空干燥4-化，冷卻至室溫后，加上親水無(wú)紡布和微濾膜，常溫下在50~SOKg/ cm2的壓力下用平板板壓3-5min，厚度為1.0-1.5mm，即得電池的正極。
[0020] 本發(fā)明正極材料制備正極方法采用浸涂法時(shí)，其特征在于包括W下步驟：
[0021] a、將MxFes-X化、二氧化碳吸附劑、活性炭、超導(dǎo)電乙烘黑和膨脹石墨加入95%乙醇， 待固體都充分濕潤(rùn)后，攬拌均勻；
[0022] b、再在攬拌狀態(tài)下緩慢滴加 PTFE乳液，W 1000 rpm的轉(zhuǎn)速攬拌均勻形成粘稠狀漿 料，調(diào)節(jié)粘度至適合用于浸涂的粘度3500~SOOOmPa ? S;
[0023] C、將厚度為2.5mm的儀網(wǎng)浸入步驟b得到的漿料中，IOs后取出，然后放置于防水等 級(jí)IP為68的防水透氣膜上，120-150°C真空干燥4-化，冷卻至室溫后，加上親水無(wú)紡布和微 濾膜，常溫下在50~80蛇八111 2的壓力下用平板板壓3-5111111，厚度為1.0-1.5111111，即得電池的 正極。
[0024] 本發(fā)明正極材料制備正極方法采用漉壓法時(shí)，其特征在于包括W下步驟：
[0025] a、將MxFes-X化、二氧化碳吸附劑、活性炭、超導(dǎo)電乙烘黑和膨脹石墨加入95%乙醇， 攬拌均勻后再加入PTFE乳液，在40化pm下攬拌成團(tuán)后，漉壓壓成厚度為0.5-2mm的薄片，得 厚度一致的電池催化層薄片；
[00%] b、將薄片鋪于厚度為2.5mm的儀網(wǎng)上，漉壓成0.8-1. Omm厚，加上防水等級(jí)IP為68 的防水透氣膜、親水無(wú)紡布和微濾膜，漉壓成1-1.5mm厚，120-150°C干燥4-化，冷卻至室溫， 即得電池的正極。
[0027] 其中，防水透氣層和離子透過(guò)膜分別貼覆在催化層的兩面。
[0028] 本發(fā)明的配方能夠使用多種制備方法的前提是催化劑選取無(wú)定型的納米顆粒，其 催化活性足夠強(qiáng)。否則在不同工藝制作中會(huì)因?yàn)檫M(jìn)氣效率不同而影響電池的放電性能。因 為不同制作工藝會(huì)導(dǎo)致催化層的厚度W及空氣進(jìn)入速度有所不同，同時(shí)也會(huì)影響催化劑的 狀態(tài)進(jìn)而影響催化劑的催化性能。
[0029] 本發(fā)明中，95%乙醇與PTFE乳液用于調(diào)節(jié)漿料的粘度性能，是實(shí)現(xiàn)不同制作工藝 的手段。對(duì)催化性能沒(méi)有決定性的作用。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0031] 本發(fā)明能夠降低電池過(guò)電位，延長(zhǎng)電池壽命，并且能降低電解液碳酸化。本發(fā)明正 極材料具有廣泛適用性，對(duì)于涂布、浸涂和漉壓法都適用。
[0032] 本發(fā)明正極材料所制得的電池具有高功率(〉1W，一個(gè)電池單體）的放電性能和IA 電流放電下高電池容量(〉6000mAh，一個(gè)電池單體）。 【【具體實(shí)施方式】】
[0033] W下通過(guò)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步更詳細(xì)的說(shuō)明，實(shí)施例中的百分比如未 做特殊說(shuō)明的均為重量百分比。
[0034] 實(shí)施例1:(涂布法）
[00巧]正極材料配方：
[0036]
[0037] 用涂布法制備實(shí)施例1的正極：
[003引將PT陽(yáng)浮液W外的其他組分加入95%乙醇，待固體都充分濕潤(rùn)后，攬拌均勻，超聲 分散45-60min分散均勻;再在攬拌狀態(tài)下緩慢滴加 PTFE乳液，W 1000 rpm的轉(zhuǎn)速攬拌均勻形 成粘稠狀膠體，壓濾除去多余液體，得到粘度適合涂布的混料;將混料涂布在厚度為2.5mm 的儀網(wǎng)上，然后放置于防水等級(jí)IP為68的防水透氣膜上，120°C干燥化，冷卻至室溫后，加上 親水無(wú)紡布和微濾膜，常溫下在50Kg/cm 2的壓力下用平板板壓3-5min，使正極厚度為1.0-1.5mm，即得電池的正極。
[0039] 實(shí)施例2:(浸涂法）
[0040] 正極材料配方：
[0041]
[0042] 用浸涂法制備實(shí)施例2的正極：
[0043] 將PTFE浮液W外的其他組分加入95%乙醇，待固體都充分濕潤(rùn)后，攬拌均勻;再在 攬拌狀態(tài)下緩慢滴加 PTFE乳液，W 1000 rpm的轉(zhuǎn)速攬拌均勻形成粘稠狀漿料，調(diào)節(jié)粘度至適 合用于浸涂的粘度;將厚度為2.5mm的儀網(wǎng)浸入上述漿料中，IOs后取出，然后放置于防水等 級(jí)IP為68的防水透氣膜上，140°C真空干燥化，加上親水無(wú)紡布和微濾膜，常溫下在SOKg/ 壓力下用平板板壓3-5min，至正極電片厚度為1.0-1.5mm，即得電池的正極。
[0044] 實(shí)施例3:(漉壓法）
[0045] 正極材料配方：
[0046]
[0047]
[004引用漉壓法制備實(shí)施例3的正極：
[0049] 將PTFE浮液W外的其他組分加入95%乙醇，待固體都充分濕潤(rùn)后，攬拌均勻后再 加入PTFE乳液，在40化pm下攬拌成團(tuán)后，漉壓壓成厚度為0.5-2mm的薄片，得厚度一致的電 池催化層薄片;將薄片鋪于厚度為2.5mm的儀網(wǎng)上，漉壓成0.8-1.0mm，加上防水等級(jí)IP為68 的防水透氣膜、親水無(wú)紡布和微濾膜，漉壓成1-1.5mm厚，150°C干燥地，冷卻至室溫，即得電 池的正極。
[0050] 實(shí)施例4:(涂布法）
[0化1]正極材料配方：
[0化2]
[0062] 買施例6的止做制備萬(wàn)法問(wèn)買施例3。[0063] 實(shí)施例7:(浸涂法）
[0化3]
[0化4]
[0化5]
[0化6]
[0化7]
[0化引 [0化9]
[0060]
[0061]
[00 化]
[0064] TF妨材魁?麗節(jié).
[0066]
[0067] 實(shí)施例7的正極制備方法同實(shí)施例2。
[0068] 實(shí)施例1-7的正極放電性能如表1所示。
[0069] 表1: 「00701
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金屬空氣電池用正極材料，其特征在于包括W下重量百分比組分： 2-6% 二氧化碳吸附劑 0,技-4敬 活性炭 5-10%： 超導(dǎo)電己煥黑 化5-4呢 膨脹石墨 05-3% 95% 乙醇 ！0-7()。。 巧FK乳液 7 -80%， 所述MxFe3-x〇4中的X<3，Μ為化，Cu，Co，Μη中的一種。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空氣電池用正極材料，其特征在于所述MxFe3-x〇4為納 米顆粒，其粒徑小于lOOnm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空氣電池用正極材料，其特征在于所述二氧化碳吸 附劑為氨氧化儀、氨氧化巧和氯化巧中的一種或幾種。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空氣電池用正極材料，其特征在于所述PTFE乳液的 質(zhì)量濃度為60 %。5. -種權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述正極材料的正極制備方法，其特征在于包括W下步 驟： a、 將MxFe3-x〇4、二氧化碳吸附劑、活性炭、超導(dǎo)電乙烘黑和膨脹石墨加入95%乙醇，待固 體都充分濕潤(rùn)后，攬拌均勻，超聲分散均勻； b、 再在攬拌狀態(tài)下緩慢滴加 PTFE乳液，WlOOOrpm的轉(zhuǎn)速攬拌均勻形成粘稠狀膠體，壓 濾除去多余液體，得到粘度適合涂布的混料； C、將混料涂布在厚度為2.5mm的儀網(wǎng)上，放置于防水等級(jí)IP為68的防水透氣膜上，120- 150°C真空干燥4-化，冷卻至室溫后，加上親水無(wú)紡布和微濾膜，常溫下在50~80Kg/cm2的 壓力下用平板板壓3-5min，厚度為1-1.5mm，即得電池的正極。6. -種權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述正極材料的正極制備方法，其特征在于包括W下步 驟： a、 將MxFe3-x〇4、二氧化碳吸附劑、活性炭、超導(dǎo)電乙烘黑和膨脹石墨加入95%乙醇，待固 體都充分濕潤(rùn)后，攬拌均勻； b、 再在攬拌狀態(tài)下緩慢滴加 PTFE乳液，W lOOOrpm的轉(zhuǎn)速攬拌均勻形成粘稠狀漿料，調(diào) 節(jié)粘度至適合用于浸涂的粘度； C、將厚度為2.5mm的儀網(wǎng)浸入步驟b得到的漿料中，10s后取出，然后放置于防水等級(jí)IP 為68的防水透氣膜上，120-150°C真空干燥4-化，冷卻至室溫后，加上親水無(wú)紡布和微濾膜， 常溫下在50~80蛇八1112的壓力下用平板板壓3-5111111，厚度為1.0-1.5111111，即得電池的正極。7. -種權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述正極材料的正極制備方法，其特征在于包括W下步 驟： a、 將MxFe3-x〇4、二氧化碳吸附劑、活性炭、超導(dǎo)電乙烘黑和膨脹石墨加人95%乙醇，攬拌 均勻后再加入PTFE乳液，在4(K)rpm下攬拌成團(tuán)后，漉壓壓成厚度為0.5-2mm的薄片，得厚度 一致的電池催化層薄片； b、 將薄片鋪于厚度為2.5mm的儀網(wǎng)上，漉壓成0.8-1.0mm厚，加上防水等級(jí)IP為68的防 水透氣膜、親水無(wú)紡布和微濾膜，漉壓成1-1.5mm厚，120-150°C干燥4-化，冷卻至室溫，即得 電池的正極。
【文檔編號(hào)】H01M4/88GK105846015SQ201610346068
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】楊展長(zhǎng), 陳永信, 王思義, 袁偉標(biāo)
【申請(qǐng)人】徐嘉陵