[发明专利]一种空气阴极、其制备方法及电池

说明书

本申请提供一种空气阴极、其制备方法及电池。空气阴极包括疏水石墨类薄膜和第一催化层，第一催化层负载于疏水石墨类薄膜的一表面。空气阴极的制备方法包括：在疏水石墨类薄膜的一表面涂覆第一催化层浆料，干燥。金属空气电池，包括空气阴极的制备方法制备得到的空气阴极。此制备方法制备得到的空气阴极，使用疏水石墨类薄膜作为集流层，能够在保持导电性和透气性的同时兼具疏水层防止电解液泄露的功能，并通过催化层的设置使其具有良好的气体传质能力和电化学反应动力学，使空气阴极的结构简单，应用于金属空气电池时催化效果更好。

技术领域

本申请涉及金属空气电池技术领域，具体而言，涉及一种空气阴极、其制备方法及电池。

背景技术

目前，燃料电池包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和金属空气电池等类型。其中，金属空气电池主要包括金属阳极、空气阴极及电解质等部分，核心组件空气阴极能否发挥活性往往直接决定了金属空气电池是否具有优良的电化学性能。

目前，空气阴极的主要功能层包括发挥集电作用的集流体、为三相界面电化学反应提供传质通道并防止漏液的疏水扩散层以及加快电池内部氧还原电化学反应速率的催化层，结构复杂，催化效果有待提高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种空气阴极、其制备方法及电池，不需要设置疏水层，结构简单，催化效果好。

第一方面，本申请实施例提供一种空气阴极，包括疏水石墨类薄膜和第一催化层，第一催化层负载于疏水石墨类薄膜的一表面。

使用疏水石墨类薄膜作为集流层，在保持导电及透气功能的同时兼作疏水层，使空气阴极的结构简单，可以有效增强空气传质能力，进而促进电解质与空气阴极的界面处发生的氧还原反应。

结合第一方面，在另一实施例中，疏水石墨类薄膜包括疏水石墨烯薄膜、疏水石墨薄膜和疏水石墨烯凝胶中的一种。

上述疏水石墨烯薄膜、疏水石墨薄膜和疏水石墨烯凝胶均能够通过市面上购买得到，其具有良好的导电性和透气性，同时可以发挥较好的疏水作用，应用于空气阴极也能保持较高的空气传质能力。

结合第一方面，在另一实施例中，上述空气阴极还包括第二催化层，第二催化层负载于疏水石墨类薄膜的背离第一催化层的表面。

在疏水石墨类薄膜的两面都负载有催化层，将空气阴极置于电解液中时，疏水石墨类薄膜的两表面的催化层都能够和电解液接触，因此空气阴极的催化效果更好。且由于使用疏水石墨类薄膜作为集流层，只需要一层薄膜结构就能够达到传统阴极中集流层和疏水层的双重效果，以便第一催化层和第二催化层的负载，得到的空气阴极具有较高的空气传质能力。

结合第一方面，在另一实施例中，第一催化层包括混合的碳凝胶、催化剂和粘结剂。负载催化剂的碳凝胶是提供催化反应场所的多孔导电碳骨架，呈三维孔架结构，具有较高的比表面积，可以提供较多的催化活性位点，因此碳凝胶在减小空气阴极的离子扩散动力学障碍的同时提高了阴极催化性能，并通过粘结剂实现不同颗粒间的有效连接，得到稳定的第一催化层。

可选地，催化剂包括锰氧化物催化剂、钙钛矿催化剂、尖晶石型催化剂和贵金属催化剂中的至少一种。可选地，催化剂的含量占催化剂层的30-50％。使用碳凝胶作为催化剂载体，催化剂的活性位点分布合理，得到的空气阴极的催化性能更高。

第二方面，本申请实施例提供一种空气阴极的制备方法包括：在疏水石墨类薄膜的一表面涂覆第一催化层浆料，干燥。

使用疏水石墨类薄膜替代传统的疏水层和集流层，在疏水石墨类薄膜的一表面形成第一催化层即可得到空气阴极，制备过程简单，得到的空气阴极能够满足使用需求。

结合第二方面，在另一实施例中，通过通电的方式进行干燥。可选地，干燥的时间为1-2h。