一种金属空气电池阴极材料及其制备方法和金属空气电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电池领域，尤其涉及一种金属空气电池阴极材料及其制备方法和金属 空气电池。
【背景技术】
[0002] 能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础，也是直接影响经济发 展的一个重要因素。进入21世纪以来，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑 战，如何在资源有限和环保严格要求的双重制约下保持经济的告诉发展已经成为全球热点 问题。而传统的能源利用方式所带来的资源短缺、环境污染、温室效应等问题将更为突出， 因此传统能源结构及其利用方式越来越难以适应人类生存发展的需要。高效、合理地使用 不可再生能源而又保持环境和生态平衡的基本途径就是开发以这些资源为初级染料的燃 料电池技术。
[0003] 金属空气电池是一种介于原电池与燃料电池之间的"半燃料"电池，兼具原电池和 燃料电池的特点，并具有容量大、比能量高、成本低等优点，被认为是未来很有发展和应用 前景的新型电池材料。
[0004] 金属空气电池一般由金属阳极、电解液及空气阴极组成。其中，空气阴极是金属空 气电池的核心部件，对金属空气电池的电池性能有直接影响。金属空气电池的空气阴极的 结构较为复杂，一般包含集流层、气体扩散层和催化层三个功能层，其中，集流层用于收集 电流，气体扩散层为氧气传输通道，催化层为电池中的电化学反应提供催化剂。
[0005] 由于现有空气电池阴极部件难以同时保证高效地传输氧气和收集电流，导致现有 空气电池阴极部件组装成的空气电池的功率密度较低，使用稳定性差。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属空气电池阴极材料及其制备方法和金 属空气电池，由本发明提供的阴极材料组装成的金属空气电池的功率密度大、稳定性高。
[0007] 本发明提供的了一种金属空气电池阴极材料，包括依次接触的底层、芯层和催化 层；
[0008] 所述底层包括金属泡沫和疏水材料；
[0009] 所述芯层包括金属泡沫和疏水材料；
[0010] 所述催化层包括多孔碳材料、疏水材料和催化剂；
[0011] 所述芯层的孔隙率和/或孔径大于底层。
[0012] 优选的，所述芯层孔隙率与底层孔隙率的差值为5%~50%。
[0013] 优选的，所述底层的孔隙率为5%~70%。
[0014] 优选的，所述芯层的孔径与底层的孔径的差值为5~300 ym。
[0015] 优选的，所述底层的孔径为30~200 ym。
[0016] 优选的，所述金属泡沫为泡沫镍、泡沫铜或泡沫银；所述疏水材料包括聚四氟乙烯 和/或聚偏氟乙烯；所述多孔碳材料包括活性炭、介孔碳和导电炭黑中的一种或多种；所述 催化剂包括锰的氧化物、钙钛矿氧化物、尖晶石氧化物和钴的氧化物中的一种或多种。
[0017] 本发明提供了一种上述的金属空气电池阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0018] a)、底层和芯层进行压合，所述进行压合的前或后使用催化剂浆料在所述芯层表 面成膜，得到金属空气电池阴极材料；
[0019] 所述底层包括金属泡沫和疏水材料；
[0020] 所述芯层包括金属泡沫和疏水材料；
[0021] 所述芯层的孔隙率和/或孔径大于底层；
[0022] 所述催化剂浆料包括多孔碳材料、疏水材料、催化剂和溶剂。
[0023] 优选的，所述底层和芯层按照以下步骤制备：
[0024] 金属泡沫在浸渍液中浸渍，然后进行烧结，得到底层或芯层；所述浸渍液包括疏水 材料乳液。
[0025] 优选的，所述底层按照以下步骤制备：
[0026] 第一金属泡沫在第一浸渍液中浸渍，然后进行烧结，得到底层；
[0027] 所述芯层按照以下步骤制备：
[0028] 第二金属泡沫在第二浸渍液中浸渍，然后进行烧结，得到芯层；
[0029] 所述第二金属泡沫的孔隙率和/或孔径多第一金属泡沫；
[0030] 所述第二浸渍液中疏水材料的浓度 < 所述第一浸渍液中疏水材料的浓度。
[0031] 优选的，所述第一浸渍液中疏水材料的浓度与所述第二浸渍液中疏水材料的浓度 差值为5%~50%。
[0032] 优选的，所述第一浸渍液中疏水材料的浓度为20~60wt %。
[0033] 优选的，所述底层按照以下步骤制备：
[0034] 第一金属泡沫在第一浸渍液中浸渍，然后进行烧结，得到底层；所述第一浸渍液包 括造孔剂和疏水材料乳液；
[0035] 所述芯层按照以下步骤制备：
[0036] 第二金属泡沫在第二浸渍液中浸渍，然后进行烧结，得到芯层；所述第二浸渍液包 括造孔剂和疏水材料乳液；
[0037] 所述第二金属泡沫的孔隙率和/或孔径多第一金属泡沫；
[0038] 所述第一浸渍液中造孔剂的浓度 < 所述第二浸渍液中造孔剂的浓度。
[0039] 优选的，所述第二浸渍液中所含造孔剂的浓度与第一浸渍液中所含造孔剂的浓度 的差值为2~30wt%。
[0040] 本发明提供了一种金属空气电池，包括阳极、阴极和电解液；
[0041] 所述阴极的材料为上述的阴极材料或上述方法制得的阴极材料。
[0042] 与现有技术相比，本发明提供了一种金属空气电池阴极材料及其制备方法和金属 空气电池。本发明提供的金属空气电池阴极材料包括依次接触的底层、芯层和催化层；所述 底层包括金属泡沫和疏水材料；所述芯层包括金属泡沫和疏水材料；所述催化层包括多孔 碳材料、疏水材料和催化剂；所述芯层的孔隙率和/或孔径大于底层。本发明提供的阴极材 料的底层包括金属泡沫和疏水材料，底层的孔隙率或孔径较小，保证了电子在底层具有较 高的导电率，提升了底层收集电流的性能，同时底层含有疏水材料，具有一定的疏水性，保 证了氧气能够在底层中进行传输，本发明提供的阴极材料的底层兼具集流和传输氧气的作 用。本发明提供的阴极材料的芯层包括金属泡沫和疏水材料，芯层含有疏水材料，且具有较 大的孔隙率或孔径，使氧气在芯层可以进行高效传输，本发明提供的阴极材料的芯层兼具 传输氧气、传导电流和负载催化剂层的作用。本发明通过对底层和芯层的孔隙率和/或孔 径进行梯度设计，保证了本发明提供的阴极材料既可以高效地传输氧气，又可以高效地收 集电流，从而明显改善由该阴极材料组装得到的金属空气电池的功率密度和使用稳定性等 电池性能。
【附图说明】
[0043] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。
[0044] 图1为本发明实施例1提供的泡沫镍的扫描电镜图；
[0045] 图2为本发明实施例1提供的底层的扫描电镜图；
[0046] 图3为本发明实施例1提供的芯层的扫描电镜图；
[0047] 图4为本发明实施例4提供的镁空气电池的I-V曲线图；
[0048] 图5为本发明实施例4提供的镁空气电池的使用稳定性曲线图。
【具体实施方式】
[0049] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0050] 本发明提供了一种金属空气电池阴极材料，包括依次接触的底层、芯层和催化 层；
[0051] 所述底层包括金属泡沫和疏水材料；
[0052] 所述芯层包括金属泡沫和疏水材料；
[0053] 所述催化层包括多孔碳材料、疏水材料和催化剂；
[0054] 所述芯层的孔隙率和/或孔径大于底层。
[0055] 本发明提供的金属空气电池阴极材料包括依次接触的底层、芯层和催化层。其中， 所述的底层的作用是集流和传输氧气。所述底层包括金属泡沫和疏水材料。在本发明提供 的一个实施例中，所述底层的孔隙率为5~70% ;在本发明提供的另一个实施例中，所述底 层的孔隙率为10~50%;在本发明提供的其他实施例中，所述底层的孔隙率为16~48%。 在本发明提供的一个实施例中，所述底层的孔径为30~200 ym ;在本发明提供的另一个实 施例中，所述底层的孔径为60~130 y m。
[0056] 在本发明提供的一个实施例中，底层中所述金属泡沫为泡沫镍、泡沫铜或泡沫银。 在本发明提供的一个实施例中，底层中所述金属泡沫的孔隙率为50~98% ;在本发明提供 的另一个实施例中，底层中所述金属泡沫的孔隙率为70~97%。在本发明提供的一个实施 例中，所述底层中金属泡沫的孔径为50~300 ym ;在本发明提供的另一个实施例中，所述 底层中金属泡沫的孔径为200~300 ym。
[0057] 在本发明中，所述疏水材料复合在芯层和底层的金属泡沫的表面和内孔中，其作 用是对金属泡沫进行疏水性改性和调节金属泡沫的孔径和孔隙率。在本发明提供的一个实 施例中，所述疏水材料包括聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯。本发明中，底层中的所述疏水材 料为疏水材料乳液除溶剂后的剩余物。本发明对所述疏水材料乳液中疏水材料的数均分 子量没有特别限定，在本领域中疏水材料乳液中聚四氟乙烯的数均分子量约为390000~ 500000。在本发明提供的一个实施例中，所述采用疏水材料乳液为聚四氟乙烯乳液，所述 聚四氟乙烯乳液由上海3F公司提供。在本发明中，底层中所述疏水材料的含量为10~ 70wt % ;优选含量为20~60wt %。
[0058] 在本发明中，所述芯层的作用是传输氧气和负载