一种铝空气电池空气电极结构制造技术

本发明专利技术提供一种铝空气电池空气电极结构，包括催化层、集流体、气体扩散层和防水透气层，在所述的催化层靠近电解液一侧的外面覆有高分子聚合物阴离子交换树脂层。所述的高分子聚合物阴离子交换树脂层厚度为0.1～50微米。本发明专利技术的空气电极表面的高分子聚合物阴离子交换树脂层能够有效阻挡放电产物向空气电极内部的扩散，显著提高铝空气电池的寿命。通过在空气电极催化层内加入一定量的阴离子交换组分，可有效促进OH

【技术实现步骤摘要】
一种铝空气电池空气电极结构
本专利技术属于化学电源制备
，具体涉及一种铝空气电池空气电极结构。
技术介绍
铝空气电池是以氧气作为正极活性物质，铝作为负极，以中性或者碱性溶液作为电解质，其比能量理论上可高达8100Wh/kg，远高于其它种类的化学电源。铝空气电池放电产物为氢氧化铝，其会向正极和负极表面扩散沉积，进而导致电极过早发生钝化。尤其对于空气电极而言，氢氧化铝产物的沉积一方面会导致催化活性位点被覆盖，另一方面会导致空气电极微观孔结构的变化，使空气电极寿命急剧衰减。为了解决上述问题，许多研究者提出了一些相应的方案：例如增加电解液循环过滤系统，及时将产物清除掉。但在实际应用过程中，很多时候由于并不能及时地把放电产物沉淀并过滤掉，仍会导致放电产物在空气电极表面及内部的扩散累积，造成空气电极性能衰减。除此之外，还有研究者提出其它的方案，例如专利文献1(CN103329342A)提出将碱性阴离子交换膜放在铝空气电池正负极之间，确实能够在一定程度上抑制放电产物向正极的迁移。但由于所用阴离子交换膜透水通量特别小，只能在正负极两侧分别注入电解液，将电池人为分成两个电解液室，而且两电解液室不能有连通孔道，否则便起不到抑制产物扩散的作用，使电池结构变得更为复杂。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术目的在于提供一种铝空气电池空气电极结构，其能够有效抑制铝电极放电产物对空气电极的不利影响，进而提高铝空气电池使用寿命；另一方面，使用该种结构的铝空气电池易于简化设计，进一步降低成本。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种铝空气电池空气电极结构，包括催化层、集流体、气体扩散层和防水透气层，在所述的催化层靠近电解液一侧的外面覆有高分子聚合物阴离子交换树脂层。本专利技术还具有如下技术特征：1、如上所述的高分子聚合物阴离子交换树脂层厚度为0.1～50微米。2、所述的高分子聚合物阴离子交换树脂层厚度为2～10微米。3、如上高分子聚合物阴离子交换树脂占催化层的质量百分数为1.0～40.0％。4、如上所述的一种铝空气电池空气电极结构的制备方法，如下：利用喷涂、刷涂，然后加热固化在催化层表面形成一层高分子聚合物阴离子交换树脂膜，加热固化温度为30-150℃，时间为3-12小时。5、如上各层结构按以下顺序排列：催化层/集流体/气体扩散层/防水透气层；催化层/气体扩散层/集流体/防水透气层；或者集流体/催化层/气体扩散层/防水透气层。6、如上所述的催化层中含有质量百分数0.1～10.0％的SiO2或Al2O3纳米颗粒。7、如上所述的催化剂层还含有导电剂、催化剂和聚四氟乙烯粘结剂，其中所述的导电剂为活性碳和科琴黑，质量百分含量为30％～70％；催化剂为银或二氧化锰，质量百分含量为10％～50％；聚四氟乙烯粘结剂，质量百分含量为10％～40％。8、如上所述的高分子聚合物阴离子交换树脂为自苯乙烯类树脂、苯丙烯类树脂、丙烯酸类树脂、聚酰胺类树脂、聚砜类树脂、聚烯烃类树脂、聚醚类树脂、聚酮类树脂、聚碳酸酯或聚酯类的季胺化改性物树脂，及上述物种的混合物或者加入其它官能团使其具有离子交换性能的衍生物树脂。9、如上所述的纳米颗粒粒径为0.01～20微米。本专利技术与现有技术相比，其有益效果为：(1)空气电极表面的高分子聚合物阴离子交换树脂层能够有效阻挡放电产物向空气电极内部的扩散，显著提高铝空气电池的寿命。(2)通过在空气电极催化层内加入一定量的阴离子交换组分，可有效促进OH-的传输，由于阴离子交换组分均匀地覆盖在催化剂表面，可最大限度降低活性位点被放电产物覆盖的几率。(3)由于采用的是厚度较小的阴离子交换组分，其并不会显著阻碍电解液的扩散，降低电解液在空气电极表面的润湿情况，使得电极反应能够持续进行。附图说明图1为铝空气电池单体电压-时间曲线图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。实施例1配置质量分数10％的季铵化聚芳醚的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液，然后按照表1所述质量比例称取相应的物质，然后在NMP溶剂中充分分散得到均匀分散的催化剂浆料。接着把催化剂浆料刮涂在气体扩散层表面，然后依次和多孔镍网、厚度为300微米的聚四氟乙烯防水透气膜在10MPa的压力，200℃下热压到一起，得到空气电极。之后将季铵化聚芳醚的N-甲基吡咯烷酮(NMP)分散液均匀喷涂在催化层表面，至最终厚度为10微米。然后在50℃下真空干燥6h，即得到最终的空气电极。表1催化剂层各组分配比聚芳醚Ag催化剂乙炔黑活性炭聚四氟乙烯质量分数25％30％5％25％20％实施例2首先配置质量分数15％的季铵化聚苯乙烯的N-N二甲基乙酰胺(DMF)溶液，然后按照表2所述质量比例称取相应的物质，然后在DMF溶剂中充分分散得到均匀分散的催化剂浆料。接着把催化剂浆料刮涂在气体扩散层表面，然后依次和多孔镍网、厚度为200微米的聚四氟乙烯防水透气膜在8MPa的压力，210℃下热压到一起，得到空气电极。之后将季铵化聚苯乙烯的DMF分散液均匀喷涂在催化层表面，至最终厚度为8微米。然后在60℃下真空干燥8h，即得到相应空气电极。表2催化剂层各组分配比实施例3首先配置质量分数8％的胺化聚醚砜的N-N二甲基乙酰胺(DMAc)溶液，然后按照表3所述质量比例称取相应的物质，然后分散在DMAc溶剂中得到催化剂浆料。接着把催化剂浆料用喷枪喷涂在气体扩散层表面至催化剂载量达5mg/cm2，然后依次和多孔镍网、聚四氟乙烯防水透气膜在12MPa的压力，200℃下热压到一起，得到空气电极。紧接着把胺化聚醚砜的N-N二甲基乙酰胺(DMAc)分散液均匀喷涂在催化层表面，形成厚度为6微米的离子交换膜层。之后在50℃下真空干燥4h，充分固化后即得到所述空气电极。表3催化剂层各组分配比实施例4：首先配置质量分数15％的胺化聚芳砜的N-N二甲基乙酰胺(DMAc)溶液，然后按照表4所述质量比称取相应物质分散在DMAc溶剂中，充分超声分散得到一定浓度的催化剂浆料。接着把催化剂浆料均匀喷涂在气体扩散层表面至催化剂载量达4mg/cm2，然后将其依次和多孔镀银镍网、聚四氟乙烯防水透气膜热压到一起。然后把质量分数为15％的胺化聚芳砜的N-N二甲基乙酰胺(DMAc)溶液均匀喷涂在催化层表面，形成厚度为10微米的离子交换膜层。之后在45℃下真空干燥6h，待溶剂充分挥发，固化后即得到相应的空气电极。将所得空气电极和铝合金电极组装成铝空气电池单体，所用电解液为4mol/L的氢氧化钠和0.05mol/L的锡酸钠混合溶液，在120mA/cm2的电流密度下进行恒流放电测试，记录铝空气电池单体电压-时间曲线，结果如图1所示。比较例：在催化层中不加入离子交换树脂组分且不在其表面涂覆离子交换树脂组分，并制备了相应的空气电极，然后和本实施例进行比较，结果如图1所示。从中可以看出本实施例相对于比较例空气电极性能有很大的提升，极化明显降低，寿命延长。表4催化剂层各组分配比胺化聚芳砜Ag催化剂科琴黑活性炭聚四氟乙烯质量分数25％25％5％20％25％实施例5一种铝空气电池空气电极结构，含有催化层、集流体、气体扩散层和防水透气层，在催本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝空气电池空气电极结构，包括催化层、集流体、气体扩散层和防水透气层，其特征在于：在所述的催化层靠近电解液一侧的外面覆有高分子聚合物阴离子交换树脂层。

【技术特征摘要】
1.一种铝空气电池空气电极结构，包括催化层、集流体、气体扩散层和防水透气层，其特征在于：在所述的催化层靠近电解液一侧的外面覆有高分子聚合物阴离子交换树脂层。2.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极结构，其特征在于：所述的高分子聚合物阴离子交换树脂层厚度为0.1～50微米。3.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极结构，其特征在于：所述的高分子聚合物阴离子交换树脂层厚度为2～10微米。4.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极结构，其特征在于：所述的高分子聚合物阴离子交换树脂在催化层中的质量百分含量为1.0～40.0％。5.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极结构的制备方法，其特征在于：利用喷涂、刷涂，然后加热固化在催化层表面形成一层高分子聚合物阴离子交换树脂膜，加热固化温度为30-150℃，时间为3-12小时。6.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极结构，其特征在于：各层结构按以下顺序排列：催化层/集流体/气体扩散层/防水透气层；催化层/气体扩散层/集流体/...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云智，尹鸽平，杜春雨，钱正义，邱平达，程新群，左朋建，石坚，
申请(专利权)人：上海汉行科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31