多层金属空气电池阴极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属空气电池技术领域，具体而言，涉及一种多层金属空气电池阴极及其制备方法。该电池阴极包括集流体。集流体具有第一表面和相对的第二表面。第一表面设置有导热层和第一疏水层。第二表面设置有第二疏水层、导电层以及催化层。通过在集流体一侧的第一表面设置导热层能够提高整个多层金属空气电池阴极的散热性能，及时地将金属空气电池在高功率密度下工作时产生的大量热量散发，降低电池温度，减少副反应的发生，有利于延长金属空气电池寿命。通过在集流体另一侧的第二表面设置导电层，改善了阴极氧还原电子转移过程化学反应动力学，降低了过电位和电极电阻，从而能够提高整个金属空气电池的电化学性能。

Multilayer metal air battery cathode and its preparation method

The invention relates to the technical field of metal air battery, in particular to a multi-layer metal air battery cathode and a preparation method thereof. The cathode of the battery includes a fluid collector. The collector has a first surface and a relative second surface. The first surface is provided with a thermal conductive layer and a first hydrophobic layer. The second surface is provided with a second hydrophobic layer, a conductive layer and a catalytic layer. The heat dissipation performance of the cathode of the multi-layer metal air battery can be improved by installing a heat conducting layer on the first surface of the collector side. The large amount of heat generated by the metal air battery working at high power density can be released in time, the temperature of the battery can be reduced, and the occurrence of side reactions can be reduced, which is conducive to prolonging the life of the metal air battery. By setting conductive layer on the second surface on the other side of the collector, the chemical reaction kinetics of the cathode oxygen reduction electron transfer process was improved, the overpotential and electrode resistance were reduced, and the electrochemical performance of the metal air battery was improved.

【技术实现步骤摘要】
多层金属空气电池阴极及其制备方法
本专利技术涉及金属空气电池
，具体而言，涉及一种多层金属空气电池阴极及其制备方法。
技术介绍
金属空气电池原材料来源丰富、性能稳定且能量密度高，其主要由金属阳极、空气阴极和电解质等组成。其中，空气阴极作为核心组成部分，其活性在一定程度上直接决定了整体电池的性能。常见的空气阴极结构主要包括集流体、扩散层和催化层。其中，集流体用于收集电流；扩散层为反应气体到达三相界面提供运输通道，同时兼顾防止电解液逆向泄流；催化层与电解质直接接触，对电池氧还原电化学反应有着重要作用。空气阴极反应物氧气扩散至催化层与电解液接触面后形成的气-固-液三相界面是氧还原电化学反应的场所，因此气体扩散、吸脱附及扩散的过程直接决定了空气阴极性能。目前常见的空气阴极导电性并不理想，基于其的金属空气电池放电性能会受到缓慢的氧还原化学反应动力学的限制。尤其在高倍率放电情况下，阴极氧还原电子转移过程交换电流密度小、过电位高且电极电阻大，成为了制约电池性能的重要因素。另外，金属空气电池在高功率密度下工作时会产生大量热量，这会导致电池温度升高和副反应加剧，进而影响电池寿命。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种多层金属空气电池阴极及其制备方法，提高金属空气电池的电化学性能。第一方面，本专利技术实施例提供了一种多层金属空气电池阴极，包括：集流体、导热层、第一疏水层、第二疏水层、导电层以及催化层；导热层设置在集流体的第一表面，第一疏水层设置在导热层；或者导热层和第一疏水层均设置在第一表面；第二疏水层设置在集流体的第二表面，导电层设置在第二疏水层，催化层设置在导电层；或者第二疏水层和导电层均设置在第二表面，催化层设置在第二疏水层和导电层；其中，导热层由第一混合材料制成，第一混合材料包括导电材料、粘结剂以及石墨烯，石墨烯的质量百分比为导电材料质量的1％-5％；导电层由第二混合材料制成，第二混合材料包括导电材料、粘结剂以及石墨烯，石墨烯的质量百分比为导电材料质量的1％-3％。通过在集流体一侧的第一表面设置导热层能够提高整个多层金属空气电池阴极的散热性能，及时地将金属空气电池在高功率密度下工作时产生的大量热量散发，降低电池温度，减少副反应的发生，有利于延长金属空气电池寿命。通过在集流体另一侧的第二表面设置导电层，改善了阴极氧还原电子转移过程化学反应动力学，降低了过电位和电极电阻，从而能够提高整个金属空气电池的电化学性能。在本专利技术的一些具体实施例中，导热层中石墨烯的质量百分比为导电材料质量的2％-4％。通过将导热层中石墨烯的质量百分比设置为2％-4％，能够进一步地保证多层金属空气电池阴极具有良好的散热性能，且成本较低。在本专利技术的一些具体实施例中，导电层中石墨烯质量百分比为导电材料质量的1％-2％。通过将导电层中石墨烯的质量百分比设置为1％-2％，能够进一步地保证多层金属空气电池阴极具有良好的导电性能，且成本较低。石墨烯具有优异的热传导性能和导电性能，能够提高空气电池阴极的电化学性能和散热性能。在本专利技术的一些具体实施例中，导电材料为多孔碳材料。进一步可选地，多孔碳材料选自活性炭、介孔碳或者导电炭黑中的至少一种。在本专利技术的一些具体实施例中，粘结剂选聚四氟乙烯或者聚偏氟乙烯中的至少一种。粘结剂能够使得各层原料颗粒之间的粘结更加地牢固，从而保证整个多层金属空气电池阴极结构稳定性。在本专利技术的一些具体实施例中，第一疏水层和第二疏水层均由第三混合材料制成，第三混合材料包括导电材料和粘结剂。所述粘结剂选自羧甲基纤维素、聚四氟乙烯或者聚偏氟乙烯中的至少一种。在本专利技术的一些具体实施例中，催化层由第四混合材料制成，第四混合材料包括导电材料、粘结剂以及催化剂；其中，催化剂选自锰氧化物、钙钛矿型催化剂、尖晶石型催化剂或者银基贵金属催化剂中的至少一种。通过设置催化层，能够提高整个多层金属空气电池阴极的反应速率。在本专利技术的一些具体实施例中，催化剂选自锰氧化物、钙钛矿型催化剂、尖晶石型催化剂或者银基贵金属催化剂中的至少一种。通过设置催化层，能够加快多层金属空气电池阴极的化学反应速率，从而有助于提高缓解金属空气电池放电时缓慢的氧还原化学反应动力学的限制，从而提高电化学性能。集流体用于将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出。进一步可选地，集流体选自镍网、铜网、泡沫镍、泡沫铜或不锈钢网中的至少一种。第二方面，本专利技术实施例提供了一种多层金属空气电池阴极的制备方法，包括以下步骤：将第一表面涂覆有导热层和第一疏水层，第二表面涂覆有第二疏水层、导电层以及催化层的集流体，在1-10MPa压力条件下机械模具压合后于300-500℃煅烧。通过压合煅烧后能够获得具有多层结构的金属空气电池阴极。这种多层结构的金属空气电池阴极具有良好的散热效果和导电性能，从而当将该金属空气电池阴极应用于金属空气电池时，能够有效地提高金属空气电池稳定性和电化学性能。进一步可选地，煅烧时间为1-2小时。在本专利技术的一些具体实施例中，涂覆导热层、第一疏水层、第二疏水层、导电层以及催化层后分别对导热层、第一疏水层、第二疏水层、导电层以及催化层进行烘烤。烘烤能够保证导热层、第一疏水层、第二疏水层、导电层以及催化层与集流体连接的稳定性。在本专利技术的一些具体实施例中，烘烤是采用微波辐射的方式进行烘烤。采用微波辐射的方式进行烘烤，不仅能够快速地对导热层、第一疏水层、第二疏水层、导电层以及催化层进行烘干，而且能够保证各个层均匀涂覆成膜时的性能不受损失，从而保证整个多层金属空气电池阴极具有优异的散热效果和导电性能。进一步可选地，烘烤温度为30℃-60℃。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1示出了采用本专利技术实施例提供的多层金属空气电池阴极组装铝空气电池放电曲线；图2示出了采用本专利技术实施例提供的多层金属空气电池阴极的铝空气电池工作温度图。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面对本专利技术实施例的多层金属空气电池阴极及其制备方法进行具体说明。本专利技术实施例提供的一种多层金属空气电池阴极，包括：集流体、导热层、第一疏水层、第二疏水层、导电层以及催化层。进一步地，导热层设置在集流体的第一表面，第一疏水层设置在导热层。在其他可选的实施方式中，导热层和第一疏水层均设置在第一表面。换句话说，第一表面分为两个区域，一部分设置导热层，另一部分设置第一疏水层。需要说明的是，当导热层和第一疏水层均设置在第一表面时，根据集流体的具体的面积以及实际需要，选择导热层和第一疏水层设置的面积。进一步地，第二疏水层设置在集流体的第二表面，导电层设置在第二疏水层，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层金属空气电池阴极，其特征在于，包括：集流体、导热层、第一疏水层、第二疏水层、导电层以及催化层；所述导热层设置在所述集流体的第一表面，所述第一疏水层设置在所述导热层；或者所述导热层和所述第一疏水层均设置在所述第一表面；所述第二疏水层设置在所述集流体的第二表面，所述导电层设置在所述第二疏水层，所述催化层设置在所述导电层；或者所述第二疏水层和所述导电层均设置在所述第二表面，所述催化层设置在所述第二疏水层和导电层；其中，所述导热层由第一混合材料制成，所述第一混合材料包括导电材料、粘结剂以及石墨烯，所述石墨烯的质量百分比为所述导电材料质量的1％‑5％；所述导电层由第二混合材料制成，所述第二混合材料包括所述导电材料、所述粘结剂以及所述石墨烯，所述石墨烯的质量百分比为所述导电材料质量的1％‑3％。

【技术特征摘要】
1.一种多层金属空气电池阴极，其特征在于，包括：集流体、导热层、第一疏水层、第二疏水层、导电层以及催化层；所述导热层设置在所述集流体的第一表面，所述第一疏水层设置在所述导热层；或者所述导热层和所述第一疏水层均设置在所述第一表面；所述第二疏水层设置在所述集流体的第二表面，所述导电层设置在所述第二疏水层，所述催化层设置在所述导电层；或者所述第二疏水层和所述导电层均设置在所述第二表面，所述催化层设置在所述第二疏水层和导电层；其中，所述导热层由第一混合材料制成，所述第一混合材料包括导电材料、粘结剂以及石墨烯，所述石墨烯的质量百分比为所述导电材料质量的1％-5％；所述导电层由第二混合材料制成，所述第二混合材料包括所述导电材料、所述粘结剂以及所述石墨烯，所述石墨烯的质量百分比为所述导电材料质量的1％-3％。2.如权利要求1所述的多层金属空气电池阴极，其特征在于，所述导热层中所述石墨烯的质量百分比为所述导电材料质量的2％-4％。3.如权利要求1所述的多层金属空气电池阴极，其特征在于，所述导电层中所述石墨烯质量百分比为所述导电材料质量的1％-2％。4.如权利要求1-3任一项所述的多层金属空气电池阴极，其特征在于，所述导电材料为多孔碳材料。5.如权利要求1-3任一项所述的多层金属空气电池阴极，其特征在于，所述粘结剂选自聚四氟乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祥飞，薛业建，刘兆平，杨闯，何益锋，
申请(专利权)人：宁波石墨烯创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33