高容量气体扩散电极制造技术

一种制造气体扩散电极的方法，包括提供依次包括气体的扩散层，催化层(14)以及一电解质的扩散层(18a，18b)的叠层，使叠层变形为使得两个扩散层中的一个的第一和第二部分放置为彼此相对，以及借助聚合物材料接合第一和第二部分。一种气体扩散电极，具有依次包括气体的扩散层，催化层(14)以及一电解质的扩散层(18a，18b)的叠层。两个扩散层之一的两个部分设置为彼此相对并通过聚合物材料的第一层相互分离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种气体扩散电极，更具体地，涉及一种用于金属-空气电池的双功能氧电极。
技术介绍
金属-空气电池采用空气中的氧气以及金属作为反应物以产生电力，由于它们的高功率密度，金属-空气电池成为许多研究的目标。例如，锌-空气电池具有820Ah/Kg级的理论功率密度。图1所示为锌-空气电解质液流电池，如文章“Preliminary study ofalkaline single flowing battery(碱性单流电池的初步研究)”(J.Pan等，Electrochemistry Communications(电化学通讯)11(2009)2191-2194)所述。该电池包括由镍泡沫2和位于泡沫2两侧的两个催化膜4，6形成的正极(也被成为空气阴极)。金属集流体8用作负极(阳极)。碱性电解液10在正极和负极之间流动。在这种电池中，阴极被称为是双功能的，即其工作于充电模式中也工作于放电模式中。在放电模式中，氧在与空气接触的催化膜4的位置还原，在充电时，通过氧化催化层6上的电解质而再生氧。镍泡沫2在这里起机械支持作用并作为集流体。在阳极侧，锌12在充电时电沉积于集流体8上而在电池放电时溶解于电解液10中。图2所示为双功能空气阴极的另一传统构型。该阴极具有单独的催化层14，而不是图1所示的两个。层14被设置于两个导电多孔膜16和18之间。膜16和18构成了对催化剂材料14的机械支持并用作集流体。由于空气中的氧和电解液离子渗透到其孔中并一路扩散到催化材料14，膜16和18被称之为扩散层。催化层14是氧化还原以及析出(生产)反应的发生地。层14的材料，即，活性电极材料，是由碳粒子或纤维、催化剂、亲水性和疏水性粘接剂、以及溶剂所形成的糊料。亲水性粘接剂的量和疏水性粘接剂的量之间的配比决定了电极工作的性质。与空气接触的膜16为例如采用基于碳链的涂层变得疏水的碳纤维片，以防止空气中的湿气渗入电极。片具有微观尺寸的孔，其直径在1μm至100μm之间的范围内。位于电解质侧的膜18为镍栅格或碳纤维布。膜18具有亲水性并且具有微细孔(从0.1μm至50μm)，从而便于电解质10向催化层14的扩散。膜18和电解质接触的表面通常覆盖有附加的催化层(未示出)，例如在碱性电解液的情况下附加的催化层为氢氧化镍(Ni(OH)2)层。该层可以提高阴极在析氧反应中的电催化性能以提高其寿命。层14，16，和18通常在高温或低温下被层叠以形成空气阴极。在此制造步骤中，活性材料部分地渗透到膜16和18的孔中，从而增加了催化剂活性。对于某些应用，通过用两个堆叠的具有不同性质的催化层来替代复合层14而对空气阴极进行优化。与膜16接触的催化层(与氧气反应)是疏水性的，而与膜18接触的层(与电解质的反应)是亲水性的并且通常更薄。空气在阴极上的反应速度比金属在阳极上的反应速度低得多。因此，空气阴极是限制电池功率的因素之一。为了提高正电极的容量，已知的方法是增加其反应表面的面积。现在在诸如图1和2所示的平面结构的情况下，几乎无法想象这样的增大表面面积。事实上，为了增加反应面积，电极横向尺寸(长度和宽度)应增加，这样会对电池的尺寸产生很大的约束。这样的约束最终将对金属-空气电池产生不利影响，尤其在电解液管理方面。文件JP61082672描述了另一种的管形气体扩散电极结构。两个催化层彼此接合然后辊制成同心圆柱体。然后这些层通过烧结刚性地附着。电解质流入管内且空气与管的外表面发生反应。这一电极难以集成在传统电池中，或者需要对电池构造进行深入修改。另外，层的附着技术并不能保证电极正常运行时具有足够的气密性。文件FR1541350描述了一种波形氧电极和包含此电极的金属-气体电化学电池。板状电极包含作为催化剂材料的铂并具有波形表面。此特定的形状可实现电极的反应表面面积增加而基本上不增加其尺寸。然而，此电极难以集成在电化学金属-气体电池中。特别是将此电极附着到电池壁上而不没有电解质泄漏的风险是困难的。
技术实现思路
显然需要提供一种具有大反应表面的气体扩散电极，具有适应于电池封装的稳固结构以便于在电池封装中安装。这种需求趋向于通过提供一种依次包括气体扩散层，催化层和电解质扩散层的叠层而得以满足。每个扩散层的两个部分均布置为彼此面对并由热塑性聚合物材料层分离。本质上由热塑性聚合物材料制成的框架形成电极的侧向表面。还旨在提供一种方法，其快速和简便地执行以形成这样的电极。此目的趋向于通过以下步骤来实现：a)提供依次包括气体扩散层，催化层和电解质扩散层的叠层；b)在气体扩散层上形成热塑性聚合物材料制成的第一层，并在电解质扩散层上形成热塑性聚合物材料制成的第二层，所述第一层和第二层每一个均在相关的扩散层的外围形成框架的形状；c)使叠层变形为使得气体扩散层的两个部分布置为彼此面对；d)使叠层变形为使得电解质扩散层的两个部分布置为彼此面对，以及e)利用所述第一层和第二层的热塑性聚合物材料接合每个扩散层上的相对部分。根据一种演化形式，相对部分通过热处理接合。附图说明从以下与附图相关的特定实施例的非限制性描述，上述和其它特征及优点将得以更加清楚地表现，其中图1，如前所述，示出根据现有技术的锌空气电解质液流电池；图2，如前所述，示出对应于现有技术的空气扩散电极；图3至图5示出根据本专利技术的优选实施例的形成气体扩散电极的方法的步骤；图6和图7示出根据图3至图5的实施例的三维空间中的气体扩散电极；图8是示出气体扩散电极沿图7的截面P的截面图；图9示出图5的步骤的可替换实施例，以及图10至图11示出形成根据本专利技术的气体扩散电极的方法的附加步骤。具体实施方式为了显著增加空气阴极的功率，使如图2所示的依次包括空气扩散层、催化层和电解质扩散层的叠层的体积变形。叠层被折叠或弯曲为使扩散层之一的两个部分布置为彼此面对。这种变形通过布置于该两个部分之间并且用作粘胶物的聚合物层而得以保持。有利的是，叠层在一个方向上被折叠，然后在相反的方向上被折叠，进行多次，好像期望要形成蛇形。因此获得了具有催化层和波形扩散层的阴极。对于相同的横向尺寸，阴极于是具有较大的反应表面。然而，阴极由于折叠而增大了厚度(电池的“空气”侧与“电解质”侧分离的距离)。但相比其他尺寸，阴极厚度由于其集成在电池中因此受限较少。因而获得了便于集成在传统电池中的紧本文档来自技高网...

【技术保护点】
制造气体扩散电极的方法，包括以下步骤：a)提供依次包括气体扩散层(16)，催化层(14)和电解质扩散层(18)的叠层；b)在所述气体扩散层(16)上形成由热塑性聚合物材料制成的第一层(24)并在所述电解质扩散层(18)上形成由热塑性聚合物材料制成的第二层(26)，所述第一层和第二层(24，26)均在相关的扩散层(16，18)外围具有框架的形状；c)使所述叠层变形以使所述气体扩散层(16)的两个部分布置为彼此面对；d)将所述叠层变形以使所述电解质扩散层(18)的两个部分布置为彼此面对；以及e)利用所述第一层和第二层(24，26)的热塑性聚合物材料接合每个扩散层的相对部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.24 FR 11019611.制造气体扩散电极的方法，包括以下步骤：
a)提供依次包括气体扩散层(16)，催化层(14)和电解质扩散层(18)
的叠层；
b)在所述气体扩散层(16)上形成由热塑性聚合物材料制成的第一层
(24)并在所述电解质扩散层(18)上形成由热塑性聚合物材料制成的第二
层(26)，所述第一层和第二层(24，26)均在相关的扩散层(16，18)外
围具有框架的形状；
c)使所述叠层变形以使所述气体扩散层(16)的两个部分布置为彼此
面对；
d)将所述叠层变形以使所述电解质扩散层(18)的两个部分布置为彼
此面对；以及
e)利用所述第一层和第二层(24，26)的热塑性聚合物材料接合每个
扩散层的相对部分。
2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·Z·柯契夫，
申请(专利权)人：原子能和代替能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR