[发明专利]一种催化剂浆料及空气阴极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属空气电池技术领域，尤其涉及一种适用于商业化生产的阴极浆料及用该阴极浆料制备空气阴极的方法。

背景技术

当前全球的能源供给日趋匮乏，人们正在探索新的能源，燃料电池作为高效、洁净、利用能源的新技术，已成为当今世界能源领域的开发热点。金属空气电池发挥燃料电池的优点，以空气中的氧作为阳极活性物质，金属M(锌、铝、锂等)作为阴极活性物质，空气中的氧气可源源不断地通过气体扩散电极到达电化学反应界面与金属M(锌、铝、锂等)反应而放出电能。且由于金属空气电池的原材料丰富、性能价格比高并且完全无污染，因此，被称为是面向21世纪的绿色能源。金属空气电池在放电时金属M被氧化成相应的金属离子M+；电解液通常为碱性或中性介质，如KOH或NaCl水溶液；阴极活性物质为空气中的O2，放电时O2被还原成OH-。由于O2可完全依靠电池外部供应，不需要储存在电池内部，因此金属空气电池的阴极材料实质为促使O2还原的催化剂。金属空气电池所涉及的电化学反应如(1)～(3)：

阴极反应：O2+2H2O+4e-＝4OH- (1)

阳极反应：M+nOH-＝M(OH)n+ne-(2)

总反应：M+n/4O2+n/2H2O＝M(OH)n(3)

金属空气电池中空气阴极是决定其性能优劣的关键部件，传统的空气阴极在制备时，通常采用刷涂或喷涂或辊压的方式将催化剂浆料涂布于基体材料或阴极上，干燥后形成催化剂层。通常制备空气阴极浆料时会由于使用一些挥发性较快的溶剂如乙醇、异丙醇等，导致浆料固含量会随时间延长而变高、无法长期放置，浆料稳定性不高、容易沉降，且制备的空气阴极容易存在掉粉现象，导致催化活性降低，如申请号103165902A的中国专利文献中公开了一种金属空 气电池阴极制备方法，采用乙醇作为溶剂，浆料极易分层，且固含量发生较大变化，不适用于工业化生产。

如申请号为CN201210563520.4的中国专利文献公开了一种金属空气电池用阴极的制备方法，其包括如下步骤：(1)疏水扩散层的制备；(2)催化层的制备：a.于乙醇中加入碳载锰氧化物催化剂及PTFE水乳液形成催化剂浆液；b.采用刷涂或刮涂或喷涂或滚压的方法将上述步骤(2)a所得催化剂浆液涂布于疏水扩散层上，得基于疏水扩散层的催化层；(3)阴极的制备。

然而，所述空气阴极在制备时，其催化剂通常采用刷涂或喷涂或辊压的方式将催化剂浆料涂布于基体材料上，干燥后而得到。而采用涂布等方式制备催化剂层显然工作效率太低，设备成本较高，不利于商业化大规模快速生产，严重制约了金属空气电池的产业化进程。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可用于商业化大规模快速生产的催化剂浆料及用该阴极浆料制备空气阴极的方法。

一种催化剂浆料，其包含以下组分：表面活性剂：其质量百分比为1％～10％；催化剂：其质量百分比为5％～30％；炭黑：其质量百分比为5％～20％；粘结剂：其质量百分比为3％～5％；余量为松油醇。

所述表面活性剂为阴离子表面活性剂，其为FA196、十二烷基苯磺酸钠(SDS)、硫酸化蓖麻油(土耳其红油)、二辛基琥珀酸磺酸钠(阿洛索-OT)或卵磷脂、甘油酯、聚氧乙烯脂肪醇醚(POE)非离子表面活性剂中的一种或多种；所述粘结剂为乙基纤维素(EC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)中的一种或多种；所述催化剂为MnOOH、MnO₂、Mn₃O₄、Mn₂O₃中的一种或多种。

所述催化剂浆料还包括A/B双组份硅胶，所述A/B双组份硅胶选自瓦克SEMICOSIL 9212(A/B)、瓦克SilGel 612(A/B)、瓦克SEMICOSIL 905(A/B)、瓦克SilGel 614(A/B)中的一种。

所述A/B双组份硅胶与粘结剂的质量比为2:1～1:2。

一种空气阴极的制备方法，其包括如下步骤：a将表面活性剂加入松油醇中混合均匀并加热至30～50℃，然后逐步添加粘结剂，搅拌均匀，形成第一混合液；b将炭黑和催化剂加入第一混合液中，搅拌1～1.5h，得到催化剂浆料；c 将碳毡固定在丝网印刷机上形成丝印网板，将催化剂浆料放置于丝印网板上，调整丝网印刷机的刮刀距离及角度，将催化剂浆料印刷到一空气阴极基底上，在空气中，100～250℃条件下烧结1～10h，形成具有催化剂层的空气阴极。