专利名称：空气电极及其制备方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空气电极及其制备方法和设备，该空气电极通常用于金 属空气电池，例如锌一空气电池。
背景技术：
目前，空气电极主要是由集流体、催化层和防水透气层组成，其中催化 层是通过将催化剂、活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯溶液用乙醇和水混合制备 成浆状物，然后涂在泡沫镍上，然后烘干的方法制备而成，或者是通过将催 化剂、活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯溶液用乙醇和水混合制备成浆状物后烘 干并多次辊压成薄片状后和泡沫镍辊压到一起的方法制备而成。在催化层 中，活性炭和乙炔黑用作导电剂，聚四氟乙烯则用作粘结剂。防水透气层是 将活性炭、乙炔黑、造孔剂和粘结剂聚四氟乙烯乳液用乙醇和水溶解而成的 浆状物，采用和催化层相同的制备方法制备而成。
这种方法存在的问题是每片空气电极上催化剂浆料涂布的均匀性和一 致性都不理想，即每片电极上催化活性物质的量差异性大，涂布均匀程度低，
造成了电池性能的离散性差。另外，在涂布方法中由于粘结的需要而采用60 %的聚四氟乙烯乳液作为粘结剂，从而增加了电池的内阻。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能有效降低电池内阻的空气电极。 本发明的另一个目的是提供一种空气电极的制备方法，该方法能够克服
现有技术中不同空气电极上催化剂涂布的差异性大，从而造成电池性能的离
散性大的缺点。
本发明的再一个目的是提供一种空气电极的制备设备，通过该设备能够 方便地通过本发明的方法制得本发明的空气电极。
根据本发明的一个方面，提供一种空气电极，该空气电极包括集流体、 催化层和防水透气层，其中所述催化层为催化剂和导电剂的混合物。
由于在催化层中不含有粘结剂如聚四氟乙烯，所以与使用传统的空气电 极的金属空气电池相比，使用本发明的空气电极的金属空气电池能够有效降 低电池内阻。
根据本发明的另一个方面，提供一种空气电极的制备方法，该该方法包 括在集流体上负载催化层并设置防水透气层，所述负载催化层的方法包括将 集流体置于振动状态下的粉末中，使得粉末吸附在集流体的两侧上，然后将 吸附有粉末的集流体辊压，所述粉末为催化剂和导电剂的混合物。
在催化层粉末振动过程中，将集流体放置到催化层粉末中，催化层粉末 将会通过分子间的吸附力(范德华力)而吸附到集流体上，然后通过辊轮对 吸附有催化层粉末的集流体进行辊压，最后将防水透气层包覆到集流体上即 可制得本发明的空气电极。因此，通过该方法可以方便地制得本发明的空气 电极。并且，与现有技术中通过涂浆方法将催化层涂覆到集流体上或者通过 层压方法将催化层压制到集流体上的情况相比，在本发明中，由于采用的催 化层材料可以经过球磨机的高速研磨混合，分散均匀，并且混合后的粉料能 够在集流体分散更均匀，所以通过本发明的方法制得的不同空气电极上的催 化剂的量差异性小，因此电池性能的离散性好。
现有的空气电极的催化层中含有电阻很大的粘结剂，而本发明提供的空 气电极不含有粘结剂，因此，采用本发明提供的空气电极的电池具有较小的 内阻。
根据本发明的再一个方面，提供一种空气电极的制备设备，所述设备包 括粉料箱和振动器，所述粉料箱具有可开闭的出口，所述振动器安装在所述
粉料箱上。
通过本发明的空气电极的制备设备，可以方便地实现本发明的上述方 法，轻松制得本发明的上述空气电极。并且，本发明的空气电极的制备设备 结构简单、成本低、容易实现。
图1是本发明的空气电极的制备设备的一种实施例的示意图2是用于软化本发明的空气电极的软化辊的一种实施例的示意图。
具体实施例方式
下面，通过具体的实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供的一种空气电极，该空气电极包括集流体、催化层和防水透 气层，所述催化层为催化剂和导电剂的混合物。
所述空气电极的一般组成为本领域技术人员所公知，通常包括集流体、 催化层和防水透气层。催化层和防水透气层通常分别位于集流体的两侧。在 本发明中，为了增加发电效率，可以在集流体的两侧均负载有催化层。防水 透气层则仅设置在集流体的一侧。S卩，当集流体的一侧负载有催化层时，防 水透气层则负载在集流体的另一侧上；当集流体的两侧均负载有催化层时， 防水透气层则负载在一侧的催化层的外面。
负载在集流体上的催化层的量可以为0.01 0.06克/厘米2，优选为0.04 克/厘米2。
所述集流体通常选用多孔泡沫材料，例如泡沫铜或者泡沫镍。所述防水 透气层可以是由乙炔黑、石墨、高分子憎水材料混合或高分子憎水材料与无 机、有机发孔材料混合，通过热压、碾压或流延法制备得到，优选情况下， 采用聚四氟乙烯(PTFE)防水透气膜。
在现有技术中，所述催化层除了包括催化剂和导电剂之外，还包括粘结
剂，用于将催化层粘结在集流体上。所述催化剂可以是Ag、 二氧化锰、 LiMnxCo2—x04、 LazCa卜zCo03中的一种或多种，其中，0《X《2， 0《z《l。 所述导电剂通常选用活性炭和/或乙炔黑。所述粘结剂通常是聚四氟乙烯，在 制备催化层的过程中，所述粘结剂通常是以溶液的形式加入。
在本发明的空气电极中，由于采用了不同于现有技术中的涂浆方法和压 制方法，因此不需要在催化层中使用粘结剂，由此可以显著降低使用这种空 气电极的金属空气电池的内阻。在本发明中，催化剂与导电剂的重量比可以
为1: 4-1: 1，优选为2: 3。
下面对本发明的空气电极的制备方法进行说明。该制备方法包括在集流 体上负载催化层和防水透气层，所述催化层由催化剂和导电剂组成，所述负 载催化层的方法包括将集流体置于振动状态下的催化层粉末中，使得催化层 粉末吸附在集流体的两侧上，然后将吸附有催化层粉末的集流体辊压。
所述催化层粉末可以由催化剂和导电剂研磨后均匀混合而成。例如，可
以将催化剂和导电剂的混合物放置到球磨机中研磨混合10-20分钟，将其研 磨成微细粉末并混合均匀。然后，通过将得到的催化层粉末放置到粉料箱中 并控制粉料箱振动，将集流体放置到粉料箱中。此时，催化层粉末将被抖动 到并吸附到集流体上，之后可以通过一对辊轮对吸附有催化层粉末的集流体 进行辊压，使催化层粉末牢固接合到集流体上，优选接合到集流体的两侧上。 在本发明的优选实施方式中，所述粉末的振动频率可以为40-2000赫兹， 优选为300-1000赫兹；所述粉末的颗粒大小可以为100-800目，优选为 200-400目；振动时间大于1分钟，优选为一直连续振动；粉末的体积至少 为集流体体积的1.5倍，优选为2-10倍；所述辊压压力可以为l-5MPa，优 选为l-2MPa，辊压温度可以为常温，优选为室温，辊压时间可以为0.5-3分 钟，优选为1-2分钟。
为了使催化层粉末和集流体能够更牢固地接合，还可以集流体上负载催 化层之前，在集流体上施加少许粘结剂。例如，可以将集流体置于聚四氟乙 烯溶液中，然后取出并干燥。由此，在催化层粉末吸附到集流体上时，粉末 能够更牢固地接合到集流体上。
为了使催化层和集流体能够更牢固地接合，还可以在将吸附有催化层粉 末的集流体辊压之后，通过热压机对集流体进行热压。所述热压压力为
l-2MPa，热压温度为常温，热压时间为l-2分钟。热压机的结构和热压方法 是本领域技术人员公知的，因此不再赘述。
在利用本发明的空气电极制造圆柱形锌空气电池时，可以将吸附有催化 层粉末的集流体通过软化辊轮或者其它已知的软化装置进行软化处理，然后 将经过软化处理的吸附有催化层粉末的集流体巻成筒状，然后用聚四氟乙烯 防水透气膜包裹。
集流体通过软化辊轮软化之后，可以更富有柔韧性，从而更有利于巻绕， 提高电池产品的质量和加工的方便性。在本发明中，软化辊轮可以采用其它 领域中使用的相关技术，但是在现有技术中尚没有发现将软化辊轮用于软化 集流体或空气电极的技术方案。
图2是本发明提供的一种软化辊轮的优选实施例示意图。如图2所示， 软化辊轮7分为上下平行设置的两行软化辊轮，第一行包括三个软化辊轮， 第二行包括两个软化辊轮，每一行的软化辊轮之间以规则间隔排列，并且第 一行的三个软化辊轮与第二行的二个软化辊轮在轴向方向上依次轮流间隔 排列，从而使得集流体4能够以"S"形(或者波纹形)路径从两行软化辊 轮之间穿过，达到软化集流体的作用。
显然，图2中所示的仅仅是一种优选的实施例。所述软化辊轮的数量、 软化辊轮的尺寸、软化辊轮之间的横向和纵向间隔等等都可以根据需要而做 适当调整。例如，为了增加集流体的软化效果，可以增加多个软化辊轮，或
者縮小两行软化辊轮之间的纵向(图2中的上下方向)距离。
下面，参照图l对本发明的空气电极的制备设备进行举例说明。
如图1所示，本发明提供的空气电极的制备所述设备主要包括粉料箱1
和振动器2，所述粉料箱l具有可开闭的出口，所述振动器2安装在所述粉
料箱1上。
另外，该设备还可以包括辊轮对5，位于所述出口的下游。在所述出口 的下面还可以设置有间距可调节的集流体厚度调节板6，该集流体厚度调节 板6位于所述出口与所述辊轮对5之间。优选地，所述辊轮对5之间的间距 可调。所述粉料箱1优选为漏斗状的粉料箱，所述出口位于该漏斗状粉料箱 1的底部。可开闭的出口可以使用现有的任何公知的形式。例如，作为例子， 可以通过将盖板一侧弹性铰接在开口边缘，在没有外力时该盖板由于弹性力 而保持将开口关闭，在受到外力如集流体的推动时，盖板克服弹性力而打开。 或者，盖板一侧铰接在开口边缘，同时利用一个独立的弹簧将其拉紧在开口 上。或者，还可以在开口的轴向方向设置一个狭槽，并在狭槽中设置一个活 动推板，该推板向前推进时开口闭合，推板向后拉出时开口打开。
间距可调节的集流体厚度调节板6也可以具有各种形式。例如，该厚度 调节板6可以简单地使用间距可调节的可相对运动的两块对置的薄板即可以 实现。或者，在两块对置的薄板之间设置弹性元件如弹簧以便它们之间的间 距弹性可调节，或者设置一些止挡将其中一个或者两个薄板选择性地设置在 不同位置，从而实现它们之间的间距可选择在特定大小。
在利用该设备制造本发明的空气电极时，首先将粉料箱1的下端的出口 封闭，然后向粉料箱l中加入催化层粉末3，并启动所述振动器2使粉料箱 1带动其中的催化层粉末3振动，或者也可以直接利用微波振动器使粉料箱 1中的粉末3振动而粉料箱本身不振动。此时，将集流体4从粉料箱1的上 端敞开口缓慢放入并经过振动的催化层粉末3向着粉料箱1下端的出口移
动。在集流体4的下端抵达所述出口时，打开所述出口，此时集流体4就可 以穿过该出口继续向下移动。在集流体4经过粉料箱4时，催化层粉末3将 会吸附到集流体4上。之后，当集流体4穿过出口达到出口下方的辊轮对5 时，被辊轮对5辊压，从而使催化层粉末牢固地接合到了集流体4上。
图1中所示的位于粉料箱1出口外面的集流体厚度调节板6，用于在集 流体4经过出口之后，刮去集流体4表面上的浮粉。通过调节集流体厚度调 节板6的间距，可以适当控制集流体4上吸附的催化层粉末的数量。另外， 通过调节辊轮对5的间距，控制制得的集流体的厚度，可以适当调节集流体 及催化层的疏松程度。
下面的实施例将对本发明做进一步说明。
实例1
本实例说明本发明提供的设备。
制备了如图1所示的设备。其中，粉料箱为漏斗状，上端大小24X16cm2， 高为14cm，采用厚度为2毫米的不锈钢材料制成，所述粉料箱下部具有出 口，通过手动调节活动夹板可开闭。
粉料箱相对的两个内壁上固定连接有2个微型振动器，所述振动器为上 海金零科际有限公司生产的牌号为K16的微型振动器。
该设备还包括集流体厚度调节板，该调节板用不锈钢材料制成，长度为 16cm，宽度为3.5cm，厚度为0.8cm，集流体厚度调节板的间距为1.2mm。 所述辊轮对中的每个辊轮的直径为5cm，用镀铬的不锈钢钢材料制成，两个 辊轮之间的间隙为0.8mm。软化辊轮的直径为30cm，材料为不锈钢。
实例2
本实例说明本发明提供的空气电极及其制备方法。 在实例1制备的装置的粉料箱中放入200目的催化剂和导电剂的混合物 颗粒，占粉料箱容积的2/3，催化剂和导电剂的重量比为2: 3，所述催化剂
为二氧化锰，导电剂是重量比为2: l的活性碳和乙炔黑。
将长度为100cm宽度为14cm，厚度为1.2mm的泡沫镍(长沙力源新材 的连续带状泡沫镍)，插入装有催化剂和导电剂的混合物的粉料箱中，开启 固定在粉料箱内壁上的2个振动器，在振动频率为100HZ的条件下，振动5 分钟，从粉料箱出口取出吸附有催化剂和导电剂的泡沫镍，通过软化辊轮软 化。然后将其裁成3.5X7cm的空气电极。
通过BS9300电池测试仪对由所制得的空气电极组成的圆柱型锌空气电 池进行测试，内阻为50mQ左右，且放电性能良好，可以以150mA放电， 放电电量为6000mAh。通过传统的方法制得的空气电极内阻最小为100mQ 左右。
按照相同的方法制备出100个空气电极，称量每片空气电极的重量为 1.26g士0.02g (涂片前3.5X7cr^的空气电极的重量为0.65g)，由制得空气电 极的重量可以看出催化层在泡沫镍上分布均匀。
权利要求
1、一种空气电极，该空气电极包括集流体、催化层和防水透气层，其特征在于，所述催化层为催化剂和导电剂的混合物。
2、 根据权利要求1所述的空气电极，其中，所述催化层负载在所述集 流体的两侧。
3、 根据权利要求1或2所述的空气电极，其中，所述防水透气层设置 在所述集流体的一侧，与集流体或催化层接触。
4、 根据权利要求1所述的空气电极，其中，负载在集流体上的催化层 的量为0.01 0.06克/厘米2。
5、 根据权利要求l所述的空气电极，其中，所述催化剂为Ag、 二氧化 锰、LiMnxCo2—x04、 LazCa卜zCo03中的一种或多种，其中，0《X《2， 0《z《l;导电剂为活性炭和/或乙炔黑，催化剂与导电剂的重量比为1: 4 1: 1;所 述集流体为泡沫镍或泡沫铜；所述防水透气层为聚四氟乙烯防水透气膜。
6、 一种空气电极的制备方法，该方法包括在集流体上负载催化层并设 置防水透气层，其特征在于，所述负载催化层的方法包括将集流体置于振动 状态下的粉末中，使得粉末吸附在集流体的两侧上，然后将吸附有粉末的集 流体辊压，所述粉末为催化剂和导电剂的混合物。
7、 根据权利要求6所述的制备方法，其中所述粉末的振动频率为40-1000 赫兹；所述粉末的颗粒大小为100-800目；振动时间大于l分钟；粉末的体 积至少为集流体体积的1.5倍；所述辊压压力为l-2MPa，辊压温度为常温， 辊压时间为1-2分钟。
8、 根据权利要求6所述的制备方法，其中，在将吸附有催化层粉末的 集流体辊压之后，通过热压机对集流体进行热压；所述热压压力为l-2MPa，热压温度为常温，热压时间为l-2分钟。
9、 根据权利要求6所述的制备方法，其中，将吸附有粉末的集流体以 波纹形路径依次经过多个软化辊轮而进行软化处理。
10、 一种制备空气电极的设备，其特征在于，所述设备包括粉料箱和振 动器，所述粉料箱具有可开闭的出口，所述振动器安装在所述粉料箱上。
11、 根据权利要求IO所述的设备，其中所述粉料箱为漏斗形状，所述 可开闭的出口位于漏斗形状的粉料箱的底部。
12、 根据权利要求10所述的设备，所述振动器安装在所述粉料箱的侧壁上。
13、 根据权利要求IO所述的设备，其中该设备还包括位于所述出口下 游的辊轮对。
14、 根据权利要去IO所述的设备，其中，该设备还包括集流体厚度调 节板，该调节板设置在出口和辊轮对之间。
全文摘要
本发明提供一种空气电极，包括集流体、催化层和防水透气层，所述催化层为催化剂和导电剂的混合物。由于在催化层中不含有粘结剂如聚四氟乙烯，所以与使用传统的空气电极的金属空气电池相比，使用本发明的空气电极的金属空气电池能够有效降低电池内阻。本发明还提供一种空气电极的制备方法，包括将集流体置于振动状态下的催化层粉末中，使得催化层粉末吸附在集流体的两侧上，然后将吸附有催化层粉末的集流体辊压，最后包覆防水透气层制得本发明的空气电极。本发明还公开了一种使用上述方法制备本发明空气电极的设备。
文档编号H01M4/86GK101197444SQ20061015311
公开日2008年6月11日 申请日期2006年12月8日 优先权日2006年12月8日
发明者朱志坚, 李玉冰, 董俊卿 申请人:比亚迪股份有限公司