[发明专利]用于催化电极的集流体

说明书

技术领域

本发明涉及用于催化电极的集流体和包括该电极的电化学电池。

背景技术

存在多种具有催化电极的电化学电池。实例包括但不限于燃料电池、金属-空气蓄电池组电池、气体(如氢气)生成电池(generating cell)和电化学传感器电池。这些类电池的实例提供在专利号为5,242,565；5,308,711；5,378,562；5,567,538；5,707,499；6,060,196；6,461,761；6,602,629；6,911,278；7,001,689和7,001,865的美国专利；以及公开号为WO 00/36677的国际专利中。

具有催化电极的电化学电池的优点在于它们可使用不包含在电池或蓄电池组壳体内的一种或多种活性材料，从而提供长的使用时间(例如放电容量)而同时电池体积最小。例如，空气中的氧气或来自电池壳体外部另一来源的氧气可作为电池总反应的一部分被催化电极还原。仍存在对于改善此电化学电池性能的发展需求，例如改善电特性(例如操作电压、功率输出、能量密度、放电容量、充电效率、循环寿命和衰退)、储存特性、耐泄露性、成本、废物处理的环境影响和制造中的安全性。

电化学电池的电特性能以多种方式改善，包括使用催化活性更高的催化材料，在催化电极内提高导电率并降低内阻。催化电极可包括与电极的催化材料直接接触以降低催化电极内阻的导电集流体。在过去，已使用多种方法最小化催化电极的内阻，例如对与催化电极接触的集流体表面提供耐腐蚀性的方法以及在集流体与电极的催化部分之间提供良好接触的方法。例如，集流体表面可涂上金属、合金或化合物，这些材料相比于下层基底材料更耐腐蚀，尤其是在集流体与电极的催化部分和电池的电解液接触时。在另一实例中，集流体表面可通过粘合剂涂上诸如炭黑、石墨或金属的导电材料颗粒。这些成果的实例提供在公开号为WO00/36,686的国际专利；公开号为2006/0204839、2005/0221190和2002/0132158的美国专利；以及专利号为6403517、6120940、4865925和4248682的美国专利中。

以前的努力在使催化电极的内阻最小化和使使用了这些电极的电池的电性能最大化上并不是完全成功的。仍需要进一步改善，优选以成本效率且与大规模制造不矛盾的方式进行。

发明内容

因此，本发明的一个方面为电化学电池，包括容纳在电池壳体内的催化电极、对电极、置于所述催化电极和所述对电极之间的隔板以及碱性电解液，所述电池壳体具有用于气体通过所述壳体到达或离开所述催化电极的通道的一个或多个气孔。所述催化电极包括面向所述隔板的第一侧面、与第一侧面相反且通过流体与所述一个或多个气孔连通的第二侧面、包括能够还原氧气的催化材料的催化层、以及至少部分嵌入所述催化材料的多孔集流体。所述集流体具有与所述催化电极的第一侧面对应的第一侧面和与所述催化电极的第二侧面对应的第二侧面。所述集流体包括在第一侧面和第二侧面中的一个侧面上具有与所述催化材料接触的导电保护性金属表面层的基底以及在第一侧面和第二侧面中的另一侧面上与所述催化材料接触的包括导电颗粒的涂层。

所述集流体可在所述催化电极的第一侧面上至少部分嵌入所述催化材料。

所述保护性金属表面层可在所述集流体的第二侧面上与所述催化材料接触，且所述涂层在所述集流体的第一侧面上与所述催化材料接触。所述保护性金属表面层可位于所述集流体的基本整个第一侧面和基本整个第二侧面上。所述保护性金属表面层可为具有与所述金属表面层之下的所述基底的一部分不同组成的区别层。所述保护性金属表面层可包括金、铂、钯、银或它们的组合。在一个实施方式中，所述保护性金属表面层包括金。

所述涂层可包括粘合剂。所述粘合剂可包括聚合物材料。所述聚合物材料可包括含氟聚合物、聚乙烯醇或它们的组合。在一些实施方式中，所述聚合物材料包括含氟聚合物、聚乙烯醇、或含氟聚合物和聚乙烯醇。

所述导电颗粒可包括碳颗粒、金颗粒、镍颗粒、银颗粒或它们的组合。在一些实施方式中，所述导电颗粒包括石墨颗粒、炭黑颗粒、或石墨颗粒和炭黑颗粒的组合。

所述催化材料可包括氧化锰、活性炭、铂、钯、氧化钴、氧化镍、有机大环化合物或它们的组合。在一些实施方式中，所述催化材料包括氧化锰、活性炭、或氧化锰和活性炭的组合。

所述电解液可包括氢氧化钾、氢氧化钠、或氢氧化钾和氢氧化钠的组合。