[发明专利]一种具有超级电容性能的Ag-CuO-NrGO空气电极及制备方法

说明书

本发明涉及一种具有超级电容性能的Ag‑CuO‑NrGO空气电极及制备方法，通过将氮掺杂还原氧化石墨烯(NrGO)、银和氧化铜直接生长在泡沫镍集流极上，制备出了一种新型无粘结剂的银/氧化铜负载氮掺杂石墨烯催化层，该催化层具有氧还原催化活性，得到的空气电极具有超级电容性质，从而将电容性质和氧还原催化活性结合起来，综合提高了锌空电池的充放电循环效率。

技术领域

本发明属于金属-空气电池和燃料电池领域，涉及一种具有超级电容性能的Ag-CuO-NrGO空气电极及制备方法。

背景技术

锌空气电池因其高的能量密度、低的成本和环境友好性等优点，成为了锂离子电池最具前景的替代物之一。然而锌空气电池在实际应用中存在两个问题，一是在充放电过程中转换效率低，一般的充放电效率为60％，低于锂离子电池(95％)。二是空气电极循环过程的催化剂脱落导致锌空气电池的不稳定性。

为了解决锌空电池效率低的问题，Glenn G.Amatucci等(Journal of TheElectrochemical Society.2001,148,A930-939)将高功率密度的电容体系与高能量密度的电池体系结合起来形成外部并联，从而综合提高电池的效率。Dong Un Lee等(NanoLett.2016,16,1794-1802)研究制备了NiO/Ni(OH)₂纳米片作为电极活性材料，在单个电池中实现了锌镍电池和锌空气电池的结合，能量转换效率达到70％。然而这些混合锌空电池的结构非常复杂，要求结合多个不同器件和制备多种不同电化学活性的材料。

锌空电池空气电极循环过程的催化剂脱落问题与传统锌空气电池结构有关，一般由空气电极、碱性电解液和金属锌阳极组成，传统的空气电极主要由催化剂、集流体和防水透气层组成，一般防水透气层由乙炔黑和聚四氟乙烯乳液在乙醇中混合均匀制成膏体，然后将膏体碾压平整后，再与催化剂层分别贴在集流体两侧，在一定的压力碾压成型，烘干即可得到空气电极。催化剂层主要有催化剂、粘结剂和集流体，长时间浸泡在电解液中使得粘结剂失效，催化剂从集流体上脱落，使得电池失效，这种现象在二次电池中尤为明显，随着充放电循环的进行，催化剂层对氧还原催化作用明显减弱，因此含有粘结剂的催化剂层的耐久性和催化活性无法满足二次电池的要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有超级电容性能的Ag-CuO-NrGO空气电极及制备方法，解决锌空电池效率低和催化剂层易脱落的问题。

通过将氮掺杂还原氧化石墨烯(NrGO)、银和氧化铜直接生长在泡沫镍集流极上，制备出了一种新型无粘结剂的银/氧化铜负载氮掺杂石墨烯催化层，该催化层具有氧还原催化活性，得到的空气电极具有超级电容性质，从而将电容性质和氧还原催化活性结合起来，综合提高了锌空电池的充放电循环效率。

技术方案

一种具有超级电容性能的Ag-CuO-NrGO空气电极，其特征在于包括泡沫镍支撑催化剂层和泡沫镍集流体，以及黏贴在两侧的防水透气层；所述泡沫镍支撑催化剂层的结构为催化剂层生长在泡沫镍集流极上，所述催化剂采用氧还原催化剂；所述泡沫镍支撑催化剂层的氧还原半波电位相对于Hg/HgO电极为-0.15～-0.24V，赝电容比容量为200～674F/g。

所述氧还原催化剂是9-28at％的Ag-CuO和72-91at％的NrGO。

所述防水透气层由乙炔黑和聚四氟乙烯乳液在乙醇中混合均匀制成膏体，再碾压平整后形成。

一种制备所述具有超级电容性能的Ag-CuO-NrGO空气电极的方法，其特征在于步骤如下：