[发明专利]空气电极、空气电极制备方法和铝空气电池

说明书

本发明提出了空气电极、空气电极制备方法和铝空气电池。该空气电极包括：扩散层；催化剂层，所述催化剂层设置在所述扩散层的一侧，所述催化剂层包括碳纳米管以及催化剂，且所述催化剂层中不含有粘结剂；以及集电层，所述集电层设置在所述扩散层以及所述催化剂层之间，或设置在所述催化剂层远离所述扩散层的一侧。该空气电极由于催化剂层采用了具有较高电化学活性以及比表面积的碳纳米管，且避免了在催化剂层中引入粘结剂，因此具有催化活性较高、电化学性能稳定、制备简单、电极导电性能良好等优点的至少之一。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地，本发明涉及空气电极、空气电极制备方法和铝空气电池。

背景技术

空气电池是化学电池的一种，利用空气中的氧气为氧化剂发生化学反应构成电池的一极，金属电极为电池的另一极，将化学能转化为电能，实现能量的供应。目前的空气电池主要有锂空气电池、锌空气电池以及铝空气电池。空气电池实现其能量转化的一个重要步骤，即利用空气电极，将空气中的氧气还原。因此，空气电极的电化学性能以及稳定性，都称为影响空气电池电池性能的重压因素。

然而，目前的空气电极及其制备方法仍有待改进。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

目前的空气电极中，普遍存在制备过程复杂、电化学性能以及催化性能不理想的问题。由于空气电极需要将空气中的氧气还原，因此，空气电极普遍具有负载有催化剂的催化剂层，以降低氧气的还原电位。此外，空气电极不仅要求其要具有良好的电化学性能，还要求电极表面要具有较为良好的气体扩散性能，以便空气(氧气)能够较为容易的在接触到催化剂层。因此，现有的空气电极通常需要将催化剂等电极材料进行多次辊压、揉压等处理，或反复涂刷在集流体、扩散层等结构表面，再进行成型处理，以实现空气电极的制备。并且，由于催化剂材料多为粉体材料，因此在制备空气电极的催化剂层时，需要将粘合剂以及催化剂材料混合并反复辊压，以实现催化剂层的成型或是催化剂层与电极其他结构的粘合。而粘结剂材料通常为绝缘体，因此造成空气电极实际的催化性能不能够达到催化剂材料自身的催化性能，电极的整体电学性能也将受到负面影响。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种空气电极。根据本发明的实施例，该空气电极包括：扩散层；催化剂层，所述催化剂层设置在所述扩散层的一侧，所述催化剂层包括碳纳米管以及催化剂，且所述催化剂层中不含有粘结剂；以及集电层，所述集电层设置在所述扩散层以及所述催化剂层之间，或设置在所述催化剂层远离所述扩散层的一侧。该空气电极由于催化剂层采用了具有较高电化学活性以及比表面积的碳纳米管，且避免了在催化剂层中引入粘结剂，因此具有催化活性较高、电化学性能稳定、制备简单、电极导电性能良好等优点的至少之一。

根据本发明的实施例，所述催化剂层中，所述碳纳米管的长径比500:1～3000:1。发明人经过深入研究以及大量实验发现，当采用长径比在上述范围内的碳纳米管时，可以在不引入粘结剂的条件下，通过诸如简单的辊压成型处理形成催化剂层。

根据本发明的实施例，所述催化剂层包括由碳纳米管经过一次辊压成型处理而形成的碳纳米纸。由此，可以简化该空气电极的制备过程，降低生产成本，有利于该空气电极的推广。

根据本发明的实施例，所述碳纳米管在所述一次辊压成型处理之前，表面预先负载有所述催化剂。由此，可以提高催化剂层负载催化剂的量以及催化剂负载的均匀程度，从而可以进一步提高该空气电极的电极性能。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备前面所述的空气电极的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)制备催化剂层，所述催化剂层包括碳纳米管以及催化剂，且所述催化剂层中不含有粘结剂；以及(2)将所述催化剂层与扩散层以及集电层进行压合处理，以便获得所述空气电极。该方法操作步骤简单，制备周期短，生产成本低廉，有利于空气电极的推广以及应用。