[发明专利]一种具有双层扩散层的空气电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有双层扩散层的空气电极及其制备方法和应用。本发明的具有双层扩散层的空气电极，其结构从下到上依次包括聚四氟乙烯薄膜层、聚四氟乙烯/导电剂薄膜层和充电集流体的金属网。本发明通过将导电剂分散在醇溶剂中，加入聚四氟乙烯悬浮液混合均匀后制成薄膜，再经烘干得到聚四氟乙烯/导电剂薄膜；最后将纯聚四氟乙烯薄膜、聚四氟乙烯/导电剂薄膜以及金属网按照从下到上的顺序叠加后压制成一体，再在金属网上喷涂含催化剂的溶液，得到具有双层扩散层的空气电极。本发明的制备方法成本低，制备的双层扩散层疏水性高，而且能耐碱液，同时界面电阻低，因此相应的空气电极结构稳定，使用寿命长，循环效率高，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种具有双层扩散层的空气电极及其制备方法和应用，属于新能源储能技术领域。

背景技术

伴随经济快速发展，人们对各类电源的需求也在不断增大。因此发展高比能并且清洁安全的储能电池成为社会发展的重要需求。锌空气电池比能量密度高(理论能量密度高1350Wh·kg^-1)，而且安全性能好，材料价格低廉，因此在大规模储能和电能高效转换等方向受到广泛关注。其中可充电锌空气电池作为一种低成本绿色可持续型能源具有巨大的应用潜力。可充电式锌空气电池主要是由空气正极、锌负极以及电解液组成。空气电极主要由扩散层、催化层和集流体组成，利用空气中的氧作为正极反应活性物质，在充放电过程中分别发生氧还原和氧析出反应。空气电极层需要实现气相(氧气)和液相(电解液)传导，满足三相(气液固)电化学反应过程。因此，空气电极的制备对于可充放电锌空气电池的发展显得尤为重要，其中空气扩散层提供了氧气的扩散通道，同时也承担防止漏液的作用，电催化剂也会负载在扩散层和集流体表面，因此扩散层结构对氧化还原反应具有较大的影响。

目前使用最广泛的锌空气电池扩散层是由聚四氟乙烯制备而成的膜材料，这种材料耐碱而且防水性也较好。但是聚四氟乙烯不导电，当电催化剂负载在其表面，极化阻抗较大，从而影响电池性能。如果添加导电材料又会破坏聚四氟乙烯膜结构，影响扩散层的防水性。因此需要开发一种具有高疏水性、耐碱液、界面电阻低的扩散层和相应的空气电极，以满足日益发展的可充放电锌空气电池的使用需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：现有空气电极的扩散层不能同时兼顾高疏水性、耐碱液、保证足够的气体扩散通过和界面电阻低的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有双层扩散层的空气电极，其结构从下到上依次包括聚四氟乙烯薄膜层、聚四氟乙烯/导电剂薄膜层和充当集流体的金属网。

优选地，所述聚四氟乙烯/导电剂薄膜层中的导电剂包括乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、石墨和石墨烯中的至少一种，所述金属网为镍网。

优选地，所述金属网上设有催化剂。

优选地，所述聚四氟乙烯薄膜层、聚四氟乙烯/导电剂薄膜层和金属网的厚度均为0.1～0.4mm。

本发明还提供了一种上述具有双层扩散层的空气电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)：将导电剂分散在醇溶剂中，再加入聚四氟乙烯悬浮液混合均匀，得到混合物；

步骤2)：将步骤1)得到的混合物制成薄膜，烘干，得到聚四氟乙烯/导电剂薄膜；

步骤3)：将聚四氟乙烯薄膜、聚四氟乙烯/导电剂薄膜和金属网按照从下到上的顺序叠加后压制成一体，再在金属网上喷涂含催化剂的溶液，得到具有双层扩散层的空气电极。

优选地，所述步骤1)中的醇溶剂为乙醇，所述聚四氟乙烯悬浮液中的固含量为50～70wt％；所述聚四氟乙烯悬浮液与导电剂的质量比为1:1～6:1，所述导电剂分散在醇溶剂中的浓度为0.5～8mg/μL。

优选地，所述步骤2)中烘干的条件为：温度120～180℃，时间2～10h。