一种锌空气电池电极材料及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种锌空气电池电极材料及其应用，电极材料包括正极材料和负极材料，其中正极材料由以下重量百分比组分组成：MxFe3?xO4 2?6％，二氧化碳吸附剂0.5?3％，活性炭5?10％，超导电乙炔黑0.5?4％，膨胀石墨0.5?2％，95％乙醇10?70％，60％PTFE乳液7?80％,其中的MxFe3?xO4中的X<3,M为Fe,Cu,Co,Mn中的一种。本发明锌空气电池的正极材料具有广泛适用性，对于涂布、浸涂和辊压法都适用；本发明锌空气电池的正极材料和负极材料具有广泛适用性，对于纽扣式、圆柱式和其他规格电池单体或电池组都适用。
【专利说明】-种巧空气电池电极材料及其应用 【技术领域】
[0001] 本发明设及一种锋空气电池电极材料及其应用，属于电化学能源技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 锋空气电池一般制作成一次性电源，它的正极(空气电极)是W空气中氧作为活性 物质，负极活性物质是金属锋粉，电解液是KOH水溶液。锋空气电池具有比能量高(理论比能 量为1350Wh/Kg，实际比能量可达350Wh/Kg)，是当前实际使用电池比能量最高的电池品种 之一。且电压平稳、使用溫度范围宽(-30~60°C)，工作时间长，无污染，在使用过程中不会 对人体和环境产生污染，使用完的废电池也不会对环境造成污染。相对于其他类型电池，其 能量密度具有明显优势，与其他同类金属空气电池对比，其实际电位接近热力学电位且金 属价格便宜。锋空气电池具有容量大、稳定性高、能量密度高、价格廉价、放电平稳、储存寿 命长等优势，但是由于电池本身开放式结构特点也带来先天性不足，例如锋电极的氧化问 题、电解液浓度易受环境湿度影响问题、电解液碳酸化问题、漏液爬碱问题、电池发热膨胀 问题等等。运些问题限制了锋空气电池的规模量产化。
[0003] 由于锋空气电池运些优缺点，对于如何拓宽其应用领域同时还保证其长时间连续 使用和长时间存放等是它研究的主要方向。 【
【发明内容】
】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可W长时间连续使用或长时间存 放，适合量产化的锋空气电池电极材料。
[0005] 本发明的另一目的是提供一种上述正极材料和负极材料的应用。
[0006] 本发明为实现上述目的，采用W下技术方案：
[0007] -种锋空气电池电极材料，其特征在于包括正极材料和负极材料，所述的正极材 料由W下重量百分比组分组成：
[000引
[0009] 其中的MxFe3-x〇4中的X<3，M为Fe，Cu，Co ,Mn中的一种；
[0010] 所述的负极材料由W下重量百分比组分组成：
[0011]
[0012] 所述正极材料和负极材料分别满足各组分之和100%。
[0013] 本发明中的MxFe3-x〇4为纳米颗粒催化剂，用于催化还原空气中的氧气，本发明催化 剂在碱性溶液中表现较好的催化稳定性，对于降低电池过电位，延长电池寿命起到关键性 作用。本发明中催化剂MxFe3-x〇4的粒径小于100皿，优选20-50皿。
[0014] 本发明中的二氧化碳吸附剂为氨氧化儀、氨氧化巧和氯化巧中的一种或几种。用 于减少空气中二氧化碳W减少其对电解液碳酸化的副作用。
[0015] 本发明中活性炭主要吸附和分散纳米催化剂，同时活性炭具有一定吸附空气的作 用提高电池的放电性能。所W活性炭的吸附性能不能太强，如果太强会引起氧气和活性炭 结合太牢固会与催化剂吸附空气形成竞争反应，反而降低整体的催化活性。所W就整体而 言要选择比表面适中的活性炭，优选过200-300目筛，亚甲基蓝吸附值大于9ml/g。
[0016] 本发明中膨胀石墨用于导电和作为催化剂载体用。
[0017] 95%乙醇用于固液分散作用，95%为乙醇的体积浓度。
[001引本发明中的PWE乳液的质量浓度为60%，PWE乳液用于将各组分粘结在一起。
[0019] 本发明中的抑制纯化剂为四烷基氨氧化锭、四烷基漠化锭、十二烷基苯横酸钢和 十六烧=甲基锭中的一种或几种，W起到抑制腐蚀，防止纯化的作用。
[0020] 本发明电极材料的应用，其特征在于其正极的制备采用涂布法时包括W下步骤：
[0021] a、将MxFes-X化、二氧化碳吸附剂、活性炭、超导电乙烘黑和膨胀石墨加入95%乙醇， 待固体都充分湿润后，揽拌均匀，超声分散均匀，使团聚催化剂得W分离，各组分分散均匀；
[0022] b、再在揽拌状态下缓慢滴加PTFE乳液，W 1000 rpm的转速揽拌均匀形成粘稠状胶 体，压滤除去多余液体(即：多余乙醇），得到粘度适合涂布的混料(即：团块状弹性凝胶体）；
[0023] C、将混料涂布在厚度为2.5mm的儀网上，放置于防水等级IP为68的防水透气膜上， 120-150°C真空干燥4-化，冷却至室溫后，加上亲水无纺布和微滤膜，常溫下在50~SOKg/ cm 2的压力下用平板板压3-5min，厚度为1-1.5mm，即得锋空气电池的正极。
[0024] 本发明电极材料的应用，其特征在于其正极的制备采用浸涂法时包括W下步骤：
[0025] a、将MxFes-X化、二氧化碳吸附剂、活性炭、超导电乙烘黑和膨胀石墨加入95%乙醇， 待固体都充分湿润后，揽拌均匀，使各固体组分均匀分散到乙醇中；
[0026] b、再在揽拌状态下缓慢滴加PTFE乳液，W 1000 rpm的转速揽拌均匀形成粘稠状浆 料，调节粘度至适合用于浸涂的粘度；
[0027] C、将厚度为2.5mm的儀网浸入步骤b得到的浆料中，IOs后取出，然后放置于防水等 级IP为68的防水透气膜上，120-150°C真空干燥4-化，冷却至室溫后，加上亲水无纺布和微 滤膜，常溫下在50~80蛇八111 2的压力下用平板板压3-5111111，厚度为1-1.5111111，即得锋空气电 池的正极。
[0028] 本发明电极材料的应用，其特征在于其正极的制备采用漉压法时包括W下步骤：
[0029] a、将MxFes-X化、二氧化碳吸附剂、活性炭、超导电乙烘黑和膨胀石墨加入95%乙醇， 揽拌均匀后再加入PTFE乳液，在40化pm下揽拌成团后，漉压压成厚度为0.5-2mm的薄片，得 厚度一致的电池催化层薄片；
[0030] b、将薄片铺于厚度为2.5mm的儀网上，漉压成0.8-lmm厚，加上防水等级IP为68的 防水透气膜、亲水无纺布和微滤膜，漉压成1 -1.5mm厚，120-150°C干燥4-化，冷却至室溫后， 即得锋空气电池的正极。
[0031] W上S种制备正极的方法中，最后步骤加的滤膜为PP JE或其他聚醋纤维等材料 做的滤膜。
[0032] 与现有技术相比，本发明有如下优点：
[0033] 本发明锋空气电池的正极材料具有广泛适用性，对于涂布、浸涂和漉压法都适用； 本发明锋空气电池的正极材料和负极材料具有广泛适用性，对于纽扣式、圆柱式和其他规 格电池单体或电池组都适用。
[0034] 本发明正负极材料所制得的电池具有高功率(〉1W，一个电池单体）的放电性能和 IA电流放电下高电池容量(〉6000mAh，一个电池单体），并且W长时间连续使用或长时间存 放。 【【附图说明】】
[0035] 图1是本发明实施例1-3在IA恒电流下放电曲线图。 【【具体实施方式】】
[0036] W下通过【具体实施方式】对本发明做进一步更详细的说明，实施例中的百分比如未 做特殊说明的均为重量百分比。
[0037] 实施例1:(涂布法）
[0038] 正极材料配方：
[0039] CuFc,0 6%
[0040]
[0041] 用涂布法制备实施例1的正极：
[0042] 将PT阳浮液W外的其他组分加入95%乙醇，待固体都充分湿润后，揽拌均匀，超声 分散45-60min分散均匀;再在揽拌状态下缓慢滴加60 %PTFE乳液，W 1000 rpm的转速揽拌5-IOmin揽拌均匀形成粘稠状胶体，压滤除去多余液体，得到粘度适合涂布的混料;将混料涂 布在厚度为2.5mm的儀网上，放置于防水等级IP为68防水透气膜上，120°C真空干燥化，冷却 至室溫后，加上亲水无纺布和微滤膜，常溫下在50Kg/cm 2的压力下用平板板压3-5min，加上 滤膜，使正极厚度为1-1.5mm，即得锋空气电池的正极。
[0043] 负极材料配方：
[0044]
[0045]
[0046] 负极的制备方法为：
[0047] 依次将氧化锋、四甲基氨氧化锭、碳酸钟、氨氧化钟加到水中溶解为电解液，再加 入氧化铜、氧化祕和微晶纤维素钢，在1000 rmp揽拌下加入锋粉和簇甲基纤维素钢，继续揽 拌IOmin得到负极锋膏。
[004引实施例2:(浸涂法）
[0049]正极材料配方：
[(K)加 ]
[0051] 用浸涂法制备实施例2
的正极：
[0052] 将PTFE浮液W外的其他组分加入95%乙醇，待固体都充分湿润后，揽拌均匀;再在 揽拌状态下缓慢滴加 PTFE乳液，W 1000 rpm的转速揽拌5-lOmin均匀形成粘稠状浆料，调节 粘度至适合用于浸涂的粘度;将厚度为2.5mm的儀网浸入上述浆料中，IOs后取出，放置于防 水等级IP为68防水透气膜上，140°C真空干燥化，冷却至室溫后，加上亲水无纺布和微滤膜， 常溫下在80蛇八111 2的压力下用平板板压3-5111111，至正极电片厚度为1-1.5111111，即得锋空气电 池的正极。
[0053] 负极材料配方：
[0化4]
[0055] 负极的制备方法为：
[0056] 依次将氧化锋、四甲基漠化锭、碳酸钟、氨氧化钟加到水中溶解为电解液，再加入 氧化铜、氧化祕和微晶纤维素钢，在1000 rmp揽拌下加入锋粉和簇甲基纤维素钢，继续揽拌 IOmin得到负极锋膏。
[0057] 实施例3:(漉压法）
[0化引正极材料配方：
[0化9]
[0060] 用漉压法制备实施例3的正极：
[0061] 将PTFE浮液W外的其他组分加入95%乙醇，待固体都充分湿润后，揽拌均匀后再 加入PTFE乳液，在40化pm下揽拌成团后，漉压压成厚度为0.5-2mm的薄片，得厚度一致的电 池催化层薄片;将薄片铺于厚度为2.5mm的儀网上，漉压成0.8-1.0mm，加上防水等级IP为68 防水透气膜PP、亲水无纺布和微滤膜，漉压成1-1.5mm厚，150°C干燥4h，即得锋空气电池的 正极。
[0062] 负极材料配方：
[0063]
[0064] 负极的制备方法为：
[0065] 依次将氧化锋、十二烷基苯横酸钢、碳酸钟、氨氧化钟加到水中溶解为电解液，再 加入氧化铜、氧化祕和微晶纤维素钢，在1000 rmp揽拌下加入锋粉和簇甲基纤维素钢，继续 揽拌IOmin得到负极锋膏。
[0066] 对实施例1-3进行IA恒电流下测试放电曲线图，结果如图1所示，对实施例1-3配方 制备的电池实例1-3进行性能测试，结果如表1所示。
[0067]表1:
[006引
[0069]如图1和表1所示，根据本发明正负极材料配方所制得的电池实例具有高功率（〉 1W，一个电池单体)的放电性能和IA电流放电下高电池容量(〉6000mAh，一个电池单体）。
【主权项】
1. 一种锌空气电池电极材料，其特征在于包括正极材料和负极材料，所述的正极材料 由以下重量百分比组分组成： M、-Fe3-A 2-6% 二氧化碳吸附剂 0.5 - 3% 活性炭 5-10% 超导电乙炔黑 0.5-4% 膨胀石墨 ?, 5-2% 95% 乙醇 10-70% PTFE 乳液 7-80%,： 其中的MxFe3-χ〇4 中的 Χ〈3，Μ为?6，&1，(：〇，]\111中的一种； 所述的负极材料由以下重量百分比组分组成： 氧化锌 0. 1-0. 5% 抑制钝化剂 0. 1-0. 6% 碳酸钾 3-6% 氮氧化钾 10-20°/〇 水 20-30% 锌 彳0-50% 氧化铟 0. 02-0. 08% 氧化铋 （)，02-0. 09% 羧甲基纤维素钠 1 -3% 微晶纤维素钠 0.1-0. 5%， 所述正极材料和负极材料分别满足各组分之和100%。2. 根据权利要求1所述的一种锌空气电池电极材料，其特征在于所述MxFe3-x〇 4为纳米颗 粒，其粒径小于1 OOnm。3. 根据权利要求1所述的一种锌空气电池电极材料，其特征在于所述二氧化碳吸附剂 为氢氧化镁、氢氧化钙和氯化钙中的一种或几种。4. 根据权利要求1所述的一种金属空气电池用正极材料，其特征在于所述PTFE乳液的 质量浓度为60 %。5. 根据权利要求1所述的一种锌空气电池电极材料，其特征在于所述的抑制钝化剂为 四烷基氢氧化铵、四烷基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠和十六烷三甲基铵中的一种或几种。6. -种权利要求1-5中任一项所述电极材料的应用，其特征在于其正极的制备包括以 下步骤： a、 将MxFe3-x〇4、二氧化碳吸附剂、活性炭、超导电乙炔黑和膨胀石墨加入95%乙醇，待固 体都充分湿润后，搅拌均匀，超声分散均匀； b、 再在搅拌状态下缓慢滴加 PTFE乳液，以lOOOrpm的转速搅拌均匀形成粘稠状胶体，压 滤除去多余液体，得到粘度适合涂布的混料； c、 将混料涂布在厚度为2.5mm的镍网上，放置于防水等级IP为68的防水透气膜上，120-150°C真空干燥4-9h，冷却至室温后，加上亲水无纺布和微滤膜，常温下在50~80Kg/cm 2的 压力下用平板板压3_5min，厚度为1-1.5mm，即得锌空气电池的正极。7. -种权利要求1-5中任一项所述电极材料的应用，其特征在于其正极的制备包括以 下步骤： a、 将MxFe3-x〇4、二氧化碳吸附剂、活性炭、超导电乙炔黑和膨胀石墨加入95%乙醇，待固 体都充分湿润后，搅拌均匀； b、 再在搅拌状态下缓慢滴加 PTFE乳液，以lOOOrpm的转速搅拌均匀形成粘稠状浆料，调 节粘度至适合用于浸涂的粘度； c、 将厚度为2.5mm的镍网浸入步骤b得到的浆料中，10s后取出，然后放置于防水等级IP 为68的防水透气膜上，120-150°C真空干燥4-9h，冷却至室温后，加上亲水无纺布和微滤膜， 常温下在50~80敁/〇11 2的压力下用平板板压3-51^11，厚度为1-1.5臟，即得锌空气电池的正 极。8. -种权利要求1-5中任一项所述电极材料的应用，其特征在于其正极的制备包括以 下步骤： a、 将MxFe3-x〇4、二氧化碳吸附剂、活性炭、超导电乙炔黑和膨胀石墨加入95%乙醇，搅拌 均勾后再加入PTFE乳液，在400rpm下搅拌成团后，辑压压成厚度为0.5-2mm的薄片，得厚度 一致的电池催化层薄片； b、 将薄片铺于厚度为2.5mm的镍网上，辑压成0.8-lmm厚，加上防水等级IP为68的防水 透气膜、亲水无纺布和微滤膜，辊压成1-1.5臟厚，120-150°(：干燥4-91 1，冷却至室温，即得锌 空气电池的正极。
【文档编号】H01M4/36GK105826638SQ201610344886
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】杨展长, 陈永信, 王思义, 袁伟标
【申请人】徐嘉陵