一种新型可充金属空气电池氧电极及其制备方法

摘要

本发明涉及一种新型可充金属空气电池氧电极及其制备方法，属于高性能化学电源及相关领域。本发明所要解决的技术问题是为了消除金属放电时的氧化产物在气路上的沉积而导致的反应终止，有效提高可充金属空气电池的氧电极反应效率和循环稳定性，缩小三相反应界面区，降低空气中的水分对电极反应的毒害及对电极的腐蚀。本发明技术方案采用气体微通道降低空气中的水分，用气体分布板改善气流的方向与气体分布状态，将孔碳材料与阵列材料组合构成高效三维电极，阴极反应室通过隔膜与金属阳极隔开。本发明的氧电极的催化反应效率高，循环稳定性好，气体与金属离子间的扩散距离短，气液固三相接触充分，气路畅通，气体分布合理，抗金属氧化物沉积能力强，传质和扩散过程效果好，可操作性强，适应于长期反复使用的高能量密度电源场合。

主权项

一种可充金属空气电池氧电极的制备方法，其特征在于：采用聚四氟乙烯乳液处理的50 ~ 200 μm厚酸刻蚀中空隧道孔铝为气体微通道，所述的微通道对水的接触角大于150º，孔隙率大于70%，孔径为500 ~ 1000 nm，上面组合1 ~ 3 mm厚不锈钢网为气体分布板，二者叠放并倾斜置于电极底部，与水平方向的倾角为30 ~ 50º，气体分布板上放置0.5 ~ 1.5 mm厚铜网为电极集流体，铝的中空隧道孔与不锈钢网和铜网的网眼相通，保证气体畅通，构成阴极反应室外气路；以阳极氧化铝为模板，天然气为碳源，采用化学气相沉积法制备管径为50 ~ 100 nm、管长为20 ~ 50 μm的碳纳米管阵列，经浓硫酸处理10 ~ 30 h后清洗干净，然后组装到上述不锈钢网上，中空管对准不锈钢网的网眼，保证气体能够在管内顺利扩散，组成阴极反应室内气路；将以ZnCl2活化处理的比表面积为500 ~ 2000 m2/g的中孔活性炭与硝酸锰和高锰酸钾反应原位制成孔碳担载二氧化锰的电催化复合体，催化剂担载量为0.05%~ 1%，将该复合体组装到上述碳纳米管阵列中组成三维结构电极。2. 一种可充金属空气电池氧电极的制备方法，其特征在于：采用聚丙烯乳液处理的500 ~ 1000 μm厚分子筛为气体微通道，所述的微通道对水的接触角大于120º，孔隙率大于60%，孔径为100 ~ 500 nm，上面组合2 ~ 5 mm厚铂网为气体分布板和电极集流体，二者叠放并倾斜置于电极底部，与水平方向的倾角为10 ~ 20º，分子筛孔与铂网的网眼相通，保证气体畅通，构成阴极反应室外气路；以酸刻蚀隧道铝孔为模板，采用超重力协助聚合法制备管径为500 ~ 1500 nm、管长为50 ~ 100 μm的聚3,4‑乙撑二氧噻吩PEDT阵列，将阵列组装到上述铂网上，中空管对准网眼，保证气体能够在管内顺利扩散，组成阴极反应室内气路；往PEDT管阵列上通过磁控溅射喷镀纳米金颗粒作为电催化复合体，催化剂担载量为0.01% ~ 0.5%，再将以金属氧化物溶胶为模板制备的比表面积为1000 ~ 2000 m2/g的层级结构孔碳组装到镀金的PEDT阵列中组成三维结构电极。3. 一种可充金属空气电池氧电极的制备方法，其特征在于：采用表面疏水处理的TiO2阵列管为气体微通道，所述的微通道对水的接触角大于90º，孔隙率大于90%，孔径为50 ~ 200 nm，上面组合2 ~ 5 mm厚钛网为气体分布板和电极集流体，二者叠放并倾斜置于电极底部，与水平方向的倾角为40 ~ 60º，TiO2阵列管与钛网的网眼相通，保证气体畅通，构成阴极反应室外气路；采用自组装法制备管径为100 ~ 500 nm、管长为20 ~ 50 μm的ZnO阵列，将阵列组装到上述钛网上，中空管对准网眼，保证气体能够在管内顺利扩散，组成阴极反应室内气路；将石油裂解气制备的比表面积为100 ~ 500 m2/g的层级结构孔碳黑和比表面积为2000 ~ 3500 m2/g的活性炭与铂氯酸和硼氢化钠反应制成孔碳担载铂纳米粒子组成电催化复合体，将该复合体组装到ZnO阵列中组成三维结构电极。4. 一种可充金属空气电池氧电极的制备方法，其特征在于：采用微孔硅橡胶为气体微通道，所述的微通道对水的接触角大于80º，孔隙率大于30%，孔径为10 ~ 100 nm，镍网为气体分布板和电极集流体，硅橡胶的孔与镍网的网眼相通，保证气体畅通，构成阴极反应室外气路；采用化学气相沉积法制备的管径为100 ~ 300 nm、管长为10 ~ 20 μm的碳纤维阵列，将阵列组装到上述镍网上，中空管对准网孔，保证气体能够在管内顺利扩散，组成阴极反应室内气路；将由椰子壳通过裂解并活化的方法制备的比表面积为2500 ~ 3000 m2/g的孔碳与核壳结构金钯合金纳米粒子组成电催化复合体，将该复合体组装到碳纤维阵列中组成三维结构电极。5.一种可充金属空气电池氧电极的制备方法，其特征在于：采用5 ~ 10 mm厚不锈钢网的一边用聚乙烯处理后用作气体微通道，所述的微通道对水的接触角大于130º，孔隙率大于50%，孔径为80 ~ 300 nm，聚乙烯处理的厚度为5 mm，未经处理的另一面不锈钢网为气体分布板和电极集流体，气体畅通，整块不锈钢网构成阴极反应室外气路；采用自组装法制备的管径为50 ~ 200 nm、管长为30 ~ 60 μm的铜管阵列，将阵列组装到上述不锈钢网上，中空管对准网眼，保证气体能够在管内顺利扩散，组成阴极反应室内气路；将比表面积为1500 ~ 2000 m2/g的介孔洋葱碳和比表面积为500 ~ 1000 m2/g的碳纤维组成复合孔碳材料，然后与梭形CoOx纳米粒子组成电催化复合体，将该复合体组装到铜管阵列中组成三维结构电极。