专利名称：空气阴极及其材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于燃料电池中或金属/空气电池中使用的空气阴极及制造空气阴极的方法。
金属/空气电池是利用在电池中一个反应金属阳极通过一种合适的电解质与空气阴极电化学耦合起来而产生电能。在该领域中，众所周知，空气阴极是一个典型的薄片状体，它相对的两个面分别一面暴露于空气中，另一面与电池中电解质溶液接触。在电池中，当阳极金属氧化时，空气中的氧分解，从而为在阳极和阴极之间连接的外部电路提供可使用的电流。该空气阴极必须能透过空气但基本上不透水，并必须具有一个能与外部电路连接的导电元件。例如，在当今商用生产中，空气阴极通常由含有分割得很细的憎水聚合物材料并具有作为导电元件的金属屏网的活性碳组成。在使用的各种阳极金属中，铝合金及镁合金对专门应用被认为具有特殊的优点，这是由于它们成本低，重量轻，并可在使用中性电解质的金属/空气电池中用作阳极，这些中性电解质可以是海水或其它含盐水溶液。一种典型的金属/空气电池被描述在哈姆仑(Hamlen)等人申请的美国专利US4626482中，公布日为1986年12月2日。
尽管金属/空气电池具有许多用途和优点，但由于生产合格的空气阴极的花费高，难度大，因而使用这类电池受到限制。例如，在目前的实践中传统地应用挤压碳与氟化聚合物的混合物及将该混合物压在一个金属网上来生产空气阴极的片状材料。其得到的材料相当贵，甚至挤压空气阴极所需要的具有高碳成分的材料是困难的。在获得与保持叠压(多层)空气阴极合格粘合方面还遇到了其它问题。
本发明第一个出发点是广泛地考虑包括一个片状叠层的空气阴极的制备。该片状叠层包括第一层和第二层，它们具有背置的两个主表面和面向着的两个主表面，其背置的主表面分别一面暴露于空气中，另一面与液体电解质相接触，其第二层能透过空气但不能透过电解质溶液;还包括电流收集装置，该集电装置与第一层相接触，并能与外电路连接。作为本发明的一个特殊的特征，该阴极的第一层包括一个浸渍了碳粒子及一种非纤维聚合物的混合物的非织物纤维网板，非纤维聚合物用以将碳粒子固定在该网板上。本发明的另一个特殊的特征在于与上述特征结合地或单独地作到用热封涂料将第一层和第二层面向着的主表面粘合在一起，涂料以这样的方式分布在面向着的主表面上即基本均匀地伸展分布在其面上形成无涂料区的一个阵列及网络。
本发明的又一个特征为在现有优选的实施例中该纤维网板是一个导电碳纤维非织物网板。
涂料可以分布成，例如互相隔开的多重点，或者一种具有无涂料空隙区的网。设置无涂料区是为了在第二层上保持有足够多的未堵塞的孔(即孔不被涂层封闭上)，以使该空气阴极能正常地工作，但是又具有各层彼此之间和/或电流收集装置之间的有效压层。
在本发明图示描述的实施例中，电流收集装置包括一个金属网层。例如，该金属网层可以插在阴极的第一层和第二层中间並且基本上与这两层的表面共同伸展。另一个办法是使金属网层粘接在第一层暴露在外的面上。
本发明第二个出发点是采用有实用性的片状材料作为空气阴极的电解质接触层，该层包括浸渍了碳粒子与一种非纤维聚合物质的混合物的非织物纤维网板，并利用热封涂料将第一层与第二层并列叠压在一起，热封涂料被涂在其面对着的主表面之间，使涂料基本均匀地伸展在其面上形成无涂料区的一个阵列或网络，然后加热叠压层，使涂料活化。
本发明的空气阴极其特点在于用在金属/空气电池中，以及其它的使用，如燃料电池中都具有相当令人满意的性能。本发明的特殊优点在于简便及低成本，借此该层压空气阴极能够用于大规模批量生产操作，与迄今使用的制造空气阴极的方法形成明显对照。
本发明另外的特征及优点将由以下结合附图的描述加以阐明。
其附图为
图1体现本发明空气阴极实施例说明的金属-空气电池的垂直剖面简图;
图2图1的空气阴极的局部剖割部件透视图;
图3本发明空气阴极另一实施例的与图2相似的透视图;
图4本发明空气阴极又一实施例的局部的垂直剖面图;
图5本发明空气阴极另一实施例的与图4相似的剖面图;及图6本发明又一实施例的与图4相似的剖面图。
首先参见图1，它表示一个金属/空气电池10，该电池包含一个外壳11，它形成了电池室12，该室主要用于填充液体电解质14，如一种氯化钠的水溶液。一个薄片形的空气阴极16具有平行背置的主表面，其相应标号为17和18，该阴极安装在外壳11的一个侧壁上，使该阴极的主表面17暴露在内装的电解质14一侧，并与其接触，而另一阴极主表面18暴露在电池室外围的空气中。外壳11上设置了一个大垂直窄槽，在其中垂置着空气阴极，该阴极的四周相对于外壳窄槽的四周是以密封液体的方式密封的。
一个金属(如铝)阳极20，如图示被安装在外壳11的盖22中，它具有平板形状並且具有平行对置的两个主表面，该阳极一直向下延伸到电池室12中的电解质14中。该阳极20的一个主表面平行地接近(但中间有一段距离)于空气阴极16的主表面17放置，以使得在阳极与阴极之间具有一个小的所充入的电解质的间隙24。
这种空气电池的总体布置，例如基本上与在美国专利US4626482中所描述的多室电池的一个电池室是相同的。该电池阴极和阳极的外部电触头分别为26及28，它们与电路29相连接，该电路包括例如一个开关30及一个灯炮32，该电池可单独地亦可与一个或多个相似的电池串联供电。当该金属/空气电池如图示被组装起来，充入电解液14，并与电路29连接起来(开关30合上)，则该电池即以公知方式产生电能并使灯泡32发光。
由图2可清楚地看到图1中的空气阴极16是一个叠层，它包含一个含碳层34，一个金属网层36，及由一薄膜或网板组成的层38，层38允许空气渗透过来但不允许电解质14中的水份渗透过来，因此电解液不会经过空气阴极渗透或浸入到该电池的外部。该层38可以是，例如一个防水膜或聚丙烯或聚乙烯的非织物网板，如可以购买商标为Celgard及Gelman的聚丙烯膜，还可以从市场上购买杜邦公司出品的商标为Tyvek的纤维聚乙烯非织物网板。金属网层36是图1及2中空气阴极的电流收集装置，它适于采用镍网层(例如，利用延展金属的技术成型)，该层36基本上与层34及38共同伸展，但具有一向上突出超过上述两层的突出部分，用于作为阴极触头26。
根据本发明并作为其中一个特殊的特征，在图1及图2中所示的实施例中，层34包括一浸渍了碳粒子及非纤维聚合物质的混合物的非织物纤维网板，非纤维聚合物用于将碳粒子保持在网板上。其它物质也可选来加入到该浸渍材料中。这个网板的纤维可以是，例如聚酯纤维，如聚对苯二甲酸乙脂纤维。可从市场上买到能满足要求的聚酯非织物纤维的品种有商标为Reemay20024，Reemay2415，Confil和Holytex3234的产品。作为替换品，纤维素纤维，聚乙烯醇纤维或上述各类纤维中一种或多种的混合物也可使用。还有另一种替换品，即非织物网板的纤维可以是导电的碳纤维。例如，这类导电纤维可以是由国际造纸公司(InterationalPaperCompany)生产的产品8000251(以下称IPN)，它是由镀镍的碳纤维制作的一种碳纤维非织物网。用作粘结聚合物的优选的非纤维性聚合物质为聚四氟乙烯类，由杜邦(dupont)公司生产的商标为Teflon(特氟隆)T-30的产品可从市场上买到。
本发明的另一重要特征在于空气阴极16的各层被结合或被叠压在一起的方法。在图1及图2的实施例中，金属网层36被夹在层34及38面向着的两个主表面之间，并且在该实施例中，这些层靠非连续的热封涂料结合在一起，涂料首先加在层38朝向层34及36的表面上。特别的是热封涂料加在上述层38的主表面上形成非连续的点40的图案，以致在相邻的点间具有连续的无涂料间区网络。事实表明了当层34及36以及涂有点40的层38重叠放置，经过施加用以结合的热和压力时，点涂料就将层38与金属网36及层34粘结起来(经过网孔)。同时，由于热封涂料的非连续图案，穿越层38的氧气通道并未被层与层之间的结合而阻挡。这就是说，层38仍保持其多孔性，因为图示的点图案中的热封涂料在层38上留下了大部分未阻塞的孔。
该阴极另一种可供选择的实施例表示在图3上。同样地该阴极也是由如上所述的层34，36及38作成的。但是，在图3中，用于结合各层的热封涂料不是在层38表面上涂成点的图案，而是在层38及36的中间插入一个用热封树脂作的网或栅格42。当这些层组装在一起并承受用以结合的热及压力时，则网42的树脂透过金属网36将层38与层34粘接起来，而网42中间隔区(即未堵塞的孔区)提供了整个伸展在层38上的无涂料区的一个阵列。
在某些场合，利用图3所示的结构，还可能使用热封树脂网42的第二层(图中未示出)，该第二热封树脂网层插在金属网36及含碳层34之间。同样地，这两个网层内的空隙区留下了足够的未堵塞(未封闭)的孔区，以使得该阴极有效地工作。
在层34的网板的非织物纤维是导电的场合，象具有例如镍覆盖层的碳纤维，就可以省去大部分电流收集金属网层36。这样就如图4所示，在这种情况下层38可以直接粘接到含有导电纤维网板的一层浸渍了碳的层34a上(例如再一次使用点图案或热封树脂的网实现粘接)，并在这两层中间插入一小片镍或其它导电金属网36a，它粘在层34a及38面向着的表面的小区域上。网片36a有一部分超过层34a及38伸出，用作为阴极触头26a。
图5表示本发明阴极的另一实施例，其中层34及38面向着的主表面是直接整体粘接在一起的(利用热封涂料点图案或网)，而金属网的电流收集器36b被粘结在层34暴露在外的表面上(也即暴露于电解质中的阴极表面上)，并以向上伸出并露在外面的伸出部分作为阴极触头26b。在该情况下，层34无需含有导电纤维网板，集电器的金属网基本上与层34及38共同伸展。图5的实施例提供了优良的叠层强度，因为其中层34及38是彼此直接粘结在一起的，而不是(如图1至3)经由一金属网层粘结起来。可以利用乳胶(Latex)将金属网粘接到层34上，该乳胶被预先涂在金属网上。
图6表示本发明阴极中现时特别可取的实施例，其中金属网36c夹放(并且基本上共同伸展地)在层34a及34a′的中间，这二层中的每一层均由浸渍了碳及一种粘结聚合物，如TeflonR的导电碳纤维非织物网板组成的，并且空气侧(不渗水)层38叠加在34a上。将层38粘接在层34a上是利用与上述图5中实施例相同的方法实现的，再参见图6，如前所述的利用预涂在金属网上的乳胶将该网与层34a及34a′粘接起来。如前所述的，该金属网有一伸出部分用作为阴极的导电触头26c。
现在就来叙述本发明所述空气阴极的制造方法为了制造用于层34或34a的浸碳网板材料，用一种合适的非织物网板浸渍在一种悬浮水溶液中，该悬浮液含有碳粒子，前述的非纤维性聚合物质及其它可能需要的成分，例如通常被用在空气阴极的含碳层中的催化剂。当网板如此地浸渍及干燥后，就将它与层36及38的材料叠放在一起，其布置如图2、3、4或5所示，利用热封涂料或者在层38的内主表面上涂以点状图案或者在适当的位置上或层间地“夹心”位置上插入一个或多个热封网层42，然后该夹层承受足以使涂料活化而形成粘合物的粘接热及压力。如在以下要叙述的，阴极材料应这样地加以选择即使得热封涂层粘结各层所需之温度不至于损坏其它的层或它们的组成物质。一旦各层被粘接，则该结合层被切割成一定尺寸以提供单个的阴极。
用这样的方法，本发明提供的极为令人满意的空气阴极成本大大降低(与现今可买到的空气阴极相比)，其不仅因为所使用的材料相对便宜，而且也因为所涉及的制造操作(浸渍及加热叠层)简单，能直接方便地适用于大规模生产。
以下将详细地描述本发明产品及方法的专门实施例，及其专用材料与工艺条件。
Ⅰ.利用浸渍非织物制备空气阴极活性层这里将描述制备根据本发明的活性(含碳)层，即所述实施例中的层34或34a，用作燃料电池中适用的空气阴极或作为金属/空气电池的阴极。广义地说，这里描述的产品及技术也可用于提供电池中其它用途的化学薄层，包括不涉及空气的电极应用。
如上所述，实施本发明的空气阴极典型地具有三个组成含碳层，它由一个非织物网板或浸渍碳-聚合物的混合物的纤维材料组成的;一个包含金属线或含金属导电材料的电流收集器层;及一个憎水透气的薄膜材料。在制备含碳层时要考虑的因素包括非织物网板材料的选择，碳-聚合物浸渍混合物的成份，及决定生产浸渍产品的工艺步骤和条件。
在选择非织物材料时，初始变量为化学成份，厚度(或基本重量)及孔隙度(或孔隙占的比例)。与这些变量的选择相关联的是各种条件诸如制备含碳层所经历的工艺步骤(如固化及层压)中使用的温度，及网板的层压。如以下将描述的，浸渍步骤包括将非织物网板浸放到碳-聚合物的混合物的悬浮水溶液中，然后刷去或擦去多余的悬浮液并干燥该浸渍过的网板。为了生产受过浸渍的网板，该碳/聚合物的悬浮液通常施加在非织物网板的两个面上。非织物网板的孔隙度应足以允许碳/聚合物的两个浸渍层相互渗合，也即分别地施加在网板的两个相对侧面上。这个受过浸渍的网板可接受附加的热固化处理及/或机械平滑加工或压制处理、如热压处理。
对于许多应用，特别有用的是“聚酯”非织物网板。这些网板是由聚对苯二甲酸乙酯(PET)制成的，它在使用环境中惰性很强。PET的熔点范围为245°到265℃，故能承受住制造这种阴极中使用的固化及热层压步骤，这些步骤最好在较低的温度下进行。能满足应用的聚酯非织物包括以下市场上能买到的品种，商标牌号为Reemay2024，Reemay2415，Confil及Hollyter3234。而市场上能买到的商标为Hollyter3329及Hollyter3396的聚酯非织物产品则不能获得满意的效果，它们相对于能满足应用的牌号较厚及孔隙较少。
在选择用于浸渍的非织物方面有两个有助的试验。一个是空气穿透性能试验，另一个是对浸渍了碳/聚合物并干燥后的薄片从前面到后面(F/B)的导电性能试验。
非织物应具有大的孔隙体积，以便大量地吸取浸渍悬浮液。浸渍悬浮液必须从非织物的各个面中渗入，以便获得顶部与底部涂层间的良好渗透，并得到低的前面到后面(F/B)的电阻值。一种合适的含孔隙非织物得到的典型的前面到后面的电阻值为3至6欧姆(在浸渍与干燥后)。如果碳的悬浮液未能充分渗入，则F/B电阻值可能达到8至50欧姆甚至更高。浸渍处理增加了薄片的基本重量，每平方米增加15至60克(GSM)，增加值取决于浸渍悬浮液的固体成份及非织物中的孔隙体积。
以下的表1概括了适用于浸渍的各种非织物的信息。所有这些材料是由其熔点远高于后续的热压温度的纤维制成的。
其中，重量浸渍前薄片基本重量单位用GSM(每平方米克)法兰兹空法兰兹空气常数(FrazierairPerm)为空气流的一种量度，单位是在0.5″水的压力下每平方英尺的CFM值(立方呎/分钟)。
电阻是通过浸渍后薄片的前面到后面的电阻，单位用欧姆。
附加重量是附加在单位面积薄片上的碳/聚合物固体重量，单位为GSM。
阴极性能是基于铝-空气电池性能上的一种总指标。
Reemay是杜邦(dupont)公司的商标名称，现在已售给了Reemay公司。
Confil是国际造纸公司的商标名称。
Hollytex是Fitration科学公司的商标名称。
Lutrabond及Lutrasil是北卡罗来纳州德汉姆市的Lutravil公司的商标名称。
H&V是马萨诸塞州东华尔波尔市的Hollingsworth&Vose公司的产品。
IPN是我们对国际造纸公司的No.8000251产品用的非正式名称。
碳的悬浮液是用于浸渍非织物的液体材料，在碳的悬浮液中的原始成分为(1)碳墨，(2)非纤维性粘结聚合物，用于将碳黑保持在网板上，(3)分散剂，以利于制备悬浮液，及(4)流量调节剂，用于提供悬浮液粘度的稳定性及流动性。
作为能满足要求的及现今优选的碳黑的一个例子，商标名标为黑珍珠2000(BlackPearls-2000)的产品是可以买到的，它是马州波斯顿的Cabot公司的产品。现今优选的作为粘结聚合物使用的非纤维性聚合物质是一种由杜邦(dupont)公司生产的聚四氟乙烯，这种聚四氟乙烯可以从市场上买到，其商标名称为TeflonT-30。它以在水中60%固体悬浮液的形式出售，其中包含其本身的分散剂。具有中等良好性能的阴极也是由作为粘结聚合物的聚氯乙烯(PVC)的共聚物制成的。PVC较Teflon聚合物优越(较好的粘接强度，故其需要较少的粘结剂并由此提高在含碳层中碳的百分比)，但是目前该种阴极性能还较差。
分散剂有碳分散和Teflon分散之分。这里所述的试验使用的是惯用的分散碳，其分散剂为环
酸钙。所用分散碳称为“Foamblak 991”。Teflon分散被认为是以一种无离子分散质进行分散，这种分散质从Rohm & Haas公司中买到，其商标为Triton X-100。以下讨论的流量调节剂也能具有分散剂的特性。
在这里所述的试验与样品中很少使用流量调节剂，但是它在克服Teflon聚合物及碳的混合时遇到的问题上具有潜在的重要性，该问题即为该混合液随着放置时间趋向于逐渐地胶凝，结果形成一种浸渍性能很差的材料。应指出，很少百分比的羧甲基钠纤维素(CMC)加入到碳中将会阻止大部分的凝结，该凝结是在将Teflon聚合物加入到碳中时发生的。
使用铂催化的碳也具有很好的效用。它是通过上述样品Foamblak991分散体中沉降铂而制备的，使用的铂的比例等于加入碳重量的2%。
在这里所述的试验中，浸渍用手工进行，利用涂刷将悬浮液涂于非织物网板的双面上。然而对于大批量生产，可使用连续的刷板机实现该浸渍步骤。
上述的含碳层当它连接到导电的电流收集器(图1至3、5及6中的层36或36b或36c)上时就在一个空气阴极中起作用。该电流收集器是镍网或其它的在使用环境中不会被腐蚀的金属网。空气阴极在其叠层中还需要一个可透气的憎水层。该可透气层将单独地在下面描述。
对本发明的空气阴极的含碳层34有用的代用非织物网板材料包括易浸湿的，亲水的，纤维素质(或其它吸收性)的，浸渍了碳/粘结剂(通常为碳/Teflon)的非织物。相比之下，以上所描述的聚酯及其它的(例如聚烯烃及酰
)非织物物质是无吸收性的，尽管它的利用湿剂处理可作成非常有浸湿性的;但现在还不知道这样的湿剂是否会影响阴极的工作性能。
已经试验的吸收性非织物网板材料的例子(采用对于PET非织物的上述方式浸渍，及在根据本发明布置的空气阴极中使用的或用作层34的非织物网板作出过评价的)是Johnson公司及JohnsonChicopee分公司的下列产品(a)Code5710，网板的纤维是70%的人造纤维(再生纤维素)及30%的聚酯(聚对苯二甲酸乙酯);该网板也包括2%的附加粘结剂(丙烯树酯)用于将网板固定在一起。根据试验在浸渍前其基本重量为78GSM，在浸渍后为147GSM，增加了69GSM附加重量。电性能(以下表Ⅱ中样品184A)属良好。
(b)Code5524，该纤维是60%的木浆及40%的聚酯(聚对苯二甲酸乙酯);该网板不是丙烯粘结的。在浸渍前基本重量为70GSM，浸渍后为114GSM，具有34GSM的附加重量。导电性能(表Ⅱ中样品184B)在试验中前24小时非常良好。
(c)Code9676-7519，这种纤维有30%的人造纤维(再生纤维素)及70%的聚乙烯醇。在浸渍前基本重量为42GSM，而在浸渍后为65GSM，具有23GSM的附加重量。导电性能(表Ⅱ中样品184c)良好，但是比Code5710及Code5524的材料要差。
(d)Code9657-7814，这种纤维是100%的聚乙烯醇，浸渍前基本重量为67GSM，在浸渍后为83GSM，具有15GSM的附加重量。
刚才描述的吸收性非织物非常适于在制造浸碳空气阴极层的机器上进行处理，以这一角度来看它们比非吸收性织物要优越得多。
聚乙烯醇纤维非织物可作为一种浸渍基。这种类型的非织物使用在碱性电池工业中，聚乙烯醇的主要特征是它的抗碱性能，这种特征在特殊应用中可能具有优点。
在吸收性材料的试验中，如在下表Ⅱ中所述的，一种可控电流半电池(CCHC)的试验用于指示不依赖于阳极的阴极特性。最好的结果是其值最接近零的材料。
在表Ⅱ中立方体电池电压表示在持续负载20小时下电池的输出电压。它是一种典型的测量阳极和阴极特性的寿命试验。立方体电池试验在8小时后是不稳定的，因为电池内构造的规格所致。最好的结果是表中最高电压者。
第二种CCHC的试验是表示阴极已经在立方体电池试验运行24小时后阴极特性的试验。数据表明，样品184A及184B比样品184c及185D要优越。在许多应用中电流密度将小于5毫安/厘米2。大部分试验是在较高的电流密度下进行的，旨在加速试验及增大相互间的不同点。
数据表明，样品184A，184B及184c的材料是可以采用的。样品184A较高的碳附加重量是表示其在该组测试的样品中可能是最好的。
亦可代之采用导电的纤维非织物网板(同样单独地在下面描述)。这些是具有或不具有金属镍涂层(在纤维上)的碳纤维制成的材料。具有镍涂层纤维的网板可用来取代作为集电器的镍网，虽然至此所实验的样品并不能表示这一应用的效果。然而，不管有或无镍涂层，当它们作为非织物被浸渍在碳-Teflon聚合物悬浮液中以形成空气阴极的含碳层(34a，图4及6)时，它们就显示了极好的良好效果。在某些场合，利用导电非织物有可能作到将活性(含碳)层的功能及电流收集器的功能结合在一个薄层中，因此可以这样地理解上述讨论的空气阴极采用金属网层作为电流收集装置属于相对于活性层结合导电非织物网板制成的产品的例外情况。
Ⅱ空气阴极的空气侧层本发明的空气阴极的空气侧层38需要既有透空气性又有憎水性。如果空气侧层在其毛孔中吸入了液体，则空气的通道会受到阻碍，并可能发生不希望有的电解质溶液通过空气侧层的漏泄或外滴。
如果空气阴极的液体侧(含碳层)层具有合适的特性，在某些类型的空气阴极上也可省去空气侧层，尽管制造这些阴极的初始企图显示出经由空气侧的电解质漏泄。某些对设置空气侧的现有技术的建议涉及使用Teflon-碳混合物，其中Teflon含量在空气侧低于在液体侧，但是本申请人努力制造这种结构却得不出稳定的结果。
能适用于作为本发明阴极中空气侧层的产品在所述产品的例子中包括二种聚丙烯薄膜(分别相应于商标名称Celgard及Gelman)，及一种纤维性聚乙烯非织物网板，该网板商标名称为Tyvek，可以从杜邦公司买到。聚酯非织物试验用作空气侧材料总是得不出好结果。
对于各种应用，当前优选用于空气侧层38的材料至少是Tyvek网板，它是由部分压缩的非织物纤维材料作成的产品。具有各种不同等级的Tyvek，其中大多数是经过表面处理的(通常为氧化)，使它们更易吸收汁剂并不憎水。目前本发明空气阴极优选的Tyvek级别是1073B，它用于可气体消毒的医院器具的包装中。它未经抗静电处理及电晕处理。它能经受住60英吋静水头压力并对空气流的阻力为21Gurley秒。一种相似的很少选用的Tyvek的级别(虽然也认为是满意的)是1059B，它与1073B具有相似的特性但基本重量较低。
为了使用溶点为130℃及一个较低的软化点的Tyvek材料，必须将Tyvek材料与镍网36及/或层34在这样的温度下粘结即该温度不会使Tyvek中的孔隙受到压缩和毁坏。同样地，任何热封粘结剂不应堵塞Tyvek的孔隙部分。
Ⅲ在电池电极中的导电性非织物如所述的，浸渍了碳及作为粘结剂的非纤维聚合物质(例如Teflon聚合物)的导电碳纤维非织物网板可用作本发明空气阴极的层34或34a。这种层除在空气阴极中应用外还可在电池中应用。
将活性碳材料涂加到一个线状导体上是公知的。还有将碳-Teflon混合物直接地涂加到线网上的商用空气阴极。
制造并在“型号24”阴极中比较五种不同类型的浸渍过的非织物网板。(叙述如下，并具有上述图5所示的布置)。
样品196A国际造纸公司制造的碳纤维非织物网板，无镍涂层(产品8000030)，它浸渍了10%的固体碳/Teflon“胶”(dope)，具有70GSM的附加重量;
样品196B同样的无涂层碳纤维网板材料，它浸渍了稀释成约含7%固体的碳-Teflon胶，具有46GSM的附加重量;
样品196c以同样的7%含量的胶用来浸渍IPN涂镍碳纤维非织物网板，具有16GSM的附加重量。
样品196D以该7%含量的胶浸渍吸收性纤维素网板，该纤维素网板与上述Code5710等同，具有约为20GSM的附加重量;
样品196E利用碳-Teflon浸入IPN涂镍碳纤维非织物网板，制成的具有43GSM附加重量的含碳层。这五种阴极测试的结果被总结在表Ⅲ中
这种全碳非织物网板(不具有镀镍层)是本发明现今优选出的导电非织物材料。它可由比镀镍材料好得多的结构(纤维分布的均匀性制成，镀镍材料容易含有僵硬纤维束。并且全碳材料比镀镍纤维网板便宜20%。
相应于“型号24”的阴极具有WA/C20/OLA的布置，在其中WA表示预先涂上一层粘结剂的镍网，C20表示浸渍了碳-Teflon混合物的导电非织物。在这些阴极中，如图5所示，镍网是装在层34(C20)的暴露在外的表面上，而不是夹在层34及38的中间。
具有在层34中的导电碳纤维非织物网板及在层外侧的镍网的阴极中，导电非织物网板对保证良好的效果有着重要的贡献。同样地，将镍网放置在层外侧具有一些优点。首先，从外部连接镍网是容易作到的;其次，可得到较长寿命的阴极，因为已往的缺点是由于碳层及多孔膜间的层剥落，而如果OLA被直接粘在含碳层34上，而不是放置镍网中心层，那么有可能减少层剥落。第三是可避免通过空气侧层38的漏泄那在镍网及多孔OLA薄膜38层中间的碳层会阻止网的棱角插入薄膜的孔中。
可以理解，本发明不应局限于上述说明中提出的特征与实施例，亦可用不脱离本发明精神的另外方式进行实施。
权利要求
1.一种包含片状叠层(16)的空气阴极，其包括(a)第一层(34)和第二层(38)，它们具有背置的主表面(17，18)，这两个背置的主表面分别暴露接触于液体电解质和空气中，所述的这些层还具有面向着的主表面，并且所述第二层(38)可透过空气但不能透过所述液体电解质；及(b)与所述第一层(34)相接触，并可与外部电路连接的电流收集装置(36)；其中的改进包括(c)所述第一层(34)由一种非织物网板组成，该非织物网板在碳粒子和用于在网板中保持碳粒子的非纤维聚合物的混合物中浸渍过；及(d)所述第一及第二层(34，38)的所述面向着的主表面用分布在所述面向着的主表面上的热封涂料(40)粘合在一起，热封涂料以这样的方式分布即基本均匀地伸展在其面上，形成无涂料区的一个阵列或网络。
2.根据权利要求1的空气阴极，其中所述的电流收集装置 6)包括一个金属网层。
3.根据权利要求2的空气阴极，其中所述金属网层(36)被插在所述第一层和第二层之间并基本上在这些层的相对表面上共同伸展。
4.根据权利要求2的空气阴极，其中所述金属网层(36)被粘接在所述第一层(34)暴露在外的表面上。
5.根据权利要求1的空气阴极，其中所述纤维网板(34)是一种导电碳纤维的非织物网板。
6.一种包含片状叠层的空气阴极，其中包括(a)第一和第二层(34，38)，它的具有背置的主表面(17，18)，这两个背置的主表面分别暴露接触于液体电解质和空气，所述这些层还具有面向着的主表面，并且所述第二层(38)可透过空气但不能透过所述液体电解质;及(b)与所述第一层(34)相接触，并可与外部电路相连接的电流收集装置(36)，其中的改进包括(c)所述第一层(34)由一种非织物网板组成，该非织物网板在碳粒子和一种非纤维聚合物的混合物中浸渍过，该非纤维聚合物用于将碳粒子保持在该网板上。
7.一种包含片状叠层的空气阴极，它包括(a)第一层和第二层(34，38)，它们具有背置的主表面(17，18)，这两个背置的主表面分别暴露接触于液体电解质和空气，所述的这些层还具有面向着的主表面，并且所述第二层(38)可透过空气但不能透过所述液体电解质;及(b)与所述第一层(34)相接触，并可与外部电路相连接的电流收集装置(36)，其中的改进包括(c)所述第一及第二层(34，38)的所述面向着的主表面用分布在其上面的热封涂料(40)粘合在一起，在这些面上热封涂料这样分布即基本均匀地伸展在其面上形成无涂料区的一个阵列或网络。
8.根据权利要求7的空气阴极，其中所述涂料(40)被分布成互相隔开的多重点。
9.根据权利要求7的空气阴极，其中所述的涂料(40)被分布成具有无涂料间隔区的一个网。
10.作为空气阴极电解质接触层(34)具有应用性的片状材料，包括在碳粒子和一种非纤维聚合物的混合物中浸渍过的一种非织物纤维网板，该非纤维聚合物用于将碳粒子保持在该网板上。
11.根据权利要求10的片状材料，其中所述的网板是一个导电碳纤维网板。
12.制造一种空气阴极的方法，该空气阴极包括一个片状叠层，该叠层包括第一和第二层(34，38)以及电流收集装置(36)，电流收集装置与所述第一层(34)接触并可与外部电路连接，其中所述各层具有背置的主表面，它们分别暴露接触于液体电解质和空气，所述各层还具有面向着的主表面，并且所述第二层(38)可透过空气但不能透过液体电解质;其方法的步骤为(a)在一种液体载体中包括碳粒子及用于将碳粒子保持在网板上的一种非纤维性聚合物质的悬浮液中浸渍非织物纤维网板(34)，及(b)在所述第一及第二层(34，38)面向着的主表面中间涂布热封涂料(40)，其分布方式为基本均匀地伸展在其面上形成无涂料区的一个阵列或网络，将涂有热封涂料的第一及第二层叠放并层压在一起，然后加热叠压层使涂料活化。
全文摘要
一个片状空气阴极包括第一和第二层，它们的主表面分别暴露接触于液体电解和空气，这些层还具有面向着的主表面，并且第二层能透过空气但不能透过液体电解质，一个与外部电路连接的电流收集器。第一层是一种非织物纤维网板，非纤维聚合物用于将碳粒子保持在该网板上。第一及第二层的面向着的主表面用涂布在这些主表面上的热封涂料粘合在一起。在这些表面上热封涂料这样地分布、即基本均匀地伸展在其面上形成无涂料区的一个阵列或网络。
文档编号H01M12/06GK1031158SQ88106690
公开日1989年2月15日 申请日期1988年7月6日 优先权日1987年7月6日
发明者威廉·H·霍格 申请人:艾尔坎国际有限公司