[发明专利]基于单壁碳纳米管的空气阴极

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2009年4月30日提交的第61/174,122号美国临时申请的权益，该申请的整体，包括所有的附图，表格或图表以引文方式并入本发明。

(一)背景技术

金属-空气电池是潜在的可获得的最便宜的原电池，通常具有非常高的能量密度且对环境无害。它们在任何原电池系统中具有最高的重量和体积能量密度。给这些电池再充电是相对无效的。发展的可再充金属-空气电池只有几百周期的寿命和大约50％的效率。但是，金属-空气电池可以补充燃料，当其被配置成补充燃料时通常被称为金属-空气燃料电池，在该情况下，所消耗的金属被机械地替换并且失效的金属氧化物在一个单独的装置中被还原成金属。术语金属-空气燃料电池还可以用于电化学系统，该情况下所述金属用作共反应物协助一种替代燃料(比如氢，碳氢化合物，或酒精)的改进。已经可以展望这样一种“金属”经济，汽车和便携式设备和装置可以以这些金属-空气电池或金属-空气燃料电池作为动力。

使用金属-空气电池的电动汽车的研究正在进行，特别是锌-空气电池，因为锌便宜且容易大规模生产。这些电池具有特有的高达370W·h/kg的能量，它们的端电压不会下降直到消耗80％-85％的金属。这样的电池当密封排除氧气时具有非常长的保存期限，但是当暴露在空气中时则具有非常高的自身放电率。小号锌-空气电池常用于助听器，并且2009年中一组非常薄的锌-空气电池正被引进用作消费者电子设备的低成本、长寿命原电池。

金属-空气电池的阳极通常是金属，所述金属以颗粒形式与一种电解质(例如一种氢氧化物)混合并以糊状物的形式在氧化反应中释放电子。空气电极通常由如下制成：多孔碳结构位于金属筛网上，所述金属筛网上覆盖了氧还原催化剂，所述的氧还原催化剂通过氧气的还原和随后与水的反应形成氢氧化物。当金属是锌，反应有可能产生最大1.65V的电压，通常通过限制空气流入降至1.35至1.4V。

聚合物电解质薄膜燃料电池中使用的空气阴极通常含有金属，特别贵金属比如铂。这些阴极可以很好地工作，但是它们通常非常昂贵。改进金属-空气电池和燃料电池通常就是改进空气阴极。

几乎所有的空气阴极都是典型的具有相对表面的片状结构，其中一个表面暴露在空气中，另一表面与电池的电解质水溶液接触。空气阴极对于空气或氧气的其他来源必须是可渗透的，但必须基本上是疏水的，以致电解质水溶液不会通过空气阴极渗露，并且空气阴极具有一个与外部电路连接的电传导元件。Bidault等人[Bidault等人,"Review of gas diffusion cathodes for alkaline fuel cells"Journal of Power Sources,187(2009)39-48]描述了常规的空气阴极的结构。通常它们包括一层厚膜，所述的厚膜具有由纳米级金属催化剂浸渍的活性炭和聚四氟乙烯颗粒混合并粘贴到电传导背层上而形成的多层结构。由于疏水性PTFE颗粒和电解质润湿的碳载催化剂之间存在一个大的三相界面，它们获得了高面积的氧还原能力。

这些常规的空气阴极通常表现出一些缺点。由于包含亲水的催化剂和碳的混合物，少有通道是完全疏水的，形成的用以提供气相氧气进入催化剂颗粒的通道的孔隙可以被电解液充满。孔隙被液体充满会大大减缓氧气向催化剂表面的扩散。防止孔隙被液体充满需要小心的控制氧气的压力和湿度。第二个缺点是氢氧根离子扩散的动力学屏障，这是因为用于离子扩散通过阴极的亲水部分的弯曲路径会产生限流阻抗。所述的金属催化剂通常是一种贵金属，比如铂，这使得阴极变得相对昂贵。在燃料电池中使用的贵金属的主要部分在于阴极。

对于碳氢燃料电池，比如直接甲醇燃料电池，甲醇从阳极到阴极的渗透(cross over)是一个主要的问题。当甲醇或甲醇氧化产物到达电池的阴极侧，那么直接甲醇燃料电池的发电效率会显著降低。质子交换膜(比如膜)被普遍用在许多燃料电池中，以在保持质子传导的同时显著减少而不是阻止甲醇从阳极渗透到阴极，具体参见Arico等人的综述："DMFCs:from fundamental aspects of technology development"Fuel Cells 1,(2001)133-161。在常规的含铂空气阴极中，所述的纳米级金属颗粒采用奥斯瓦德熟化法经历迁移、凝聚和颗粒生长。由于凝聚和颗粒生长减小了催化剂位点的表面积，阴极效率随时间降低。贵金属催化剂还会发生一氧化碳中毒，一氧化碳可以在燃料氧化过程中产生或者由氧气来源和/燃料中的杂质产生。

(二)发明内容