[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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；

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。

优选的，所述芯层孔隙率与底层孔隙率的差值为5％～50％。

优选的，所述底层的孔隙率为5％～70％。

优选的，所述芯层的孔径与底层的孔径的差值为5～300μm。

优选的，所述底层的孔径为30～200μm。

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。

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：

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；

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；

所述芯层的孔隙率和/或孔径大于底层；

所述催化剂浆料包括多孔碳材料、疏水材料、催化剂和溶剂。

优选的，所述底层和芯层按照以下步骤制备：

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。

优选的，所述底层按照以下步骤制备：

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；

所述芯层按照以下步骤制备：

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；

所述第二金属泡沫的孔隙率和/或孔径≥第一金属泡沫；

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。

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％。

优选的，所述第一浸渍液中疏水材料的浓度为20～60wt％。

优选的，所述底层按照以下步骤制备：

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；

所述芯层按照以下步骤制备：

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；

所述第二金属泡沫的孔隙率和/或孔径≥第一金属泡沫；

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。