專利名稱：空氣電極及其制備方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空氣電極及其制備方法和設(shè)備，該空氣電極通常用于金 屬空氣電池，例如鋅一空氣電池。
背景技術(shù)：
目前，空氣電極主要是由集流體、催化層和防水透氣層組成，其中催化 層是通過將催化劑、活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯溶液用乙醇和水混合制備 成漿狀物，然后涂在泡沫鎳上，然后烘干的方法制備而成，或者是通過將催 化劑、活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯溶液用乙醇和水混合制備成漿狀物后烘 干并多次輥壓成薄片狀后和泡沫鎳輥壓到一起的方法制備而成。在催化層 中，活性炭和乙炔黑用作導(dǎo)電劑，聚四氟乙烯則用作粘結(jié)劑。防水透氣層是 將活性炭、乙炔黑、造孔劑和粘結(jié)劑聚四氟乙烯乳液用乙醇和水溶解而成的 漿狀物，采用和催化層相同的制備方法制備而成。
這種方法存在的問題是每片空氣電極上催化劑漿料涂布的均勻性和一 致性都不理想，即每片電極上催化活性物質(zhì)的量差異性大，涂布均勻程度低，
造成了電池性能的離散性差。另外，在涂布方法中由于粘結(jié)的需要而采用60 %的聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)劑，從而增加了電池的內(nèi)阻。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種能有效降低電池內(nèi)阻的空氣電極。 本發(fā)明的另一個目的是提供一種空氣電極的制備方法，該方法能夠克服
現(xiàn)有技術(shù)中不同空氣電極上催化劑涂布的差異性大，從而造成電池性能的離
散性大的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種空氣電極的制備設(shè)備，通過該設(shè)備能夠 方便地通過本發(fā)明的方法制得本發(fā)明的空氣電極。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種空氣電極，該空氣電極包括集流體、 催化層和防水透氣層，其中所述催化層為催化劑和導(dǎo)電劑的混合物。
由于在催化層中不含有粘結(jié)劑如聚四氟乙烯，所以與使用傳統(tǒng)的空氣電 極的金屬空氣電池相比，使用本發(fā)明的空氣電極的金屬空氣電池能夠有效降 低電池內(nèi)阻。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種空氣電極的制備方法，該該方法包 括在集流體上負(fù)載催化層并設(shè)置防水透氣層，所述負(fù)載催化層的方法包括將 集流體置于振動狀態(tài)下的粉末中，使得粉末吸附在集流體的兩側(cè)上，然后將 吸附有粉末的集流體輥壓，所述粉末為催化劑和導(dǎo)電劑的混合物。
在催化層粉末振動過程中，將集流體放置到催化層粉末中，催化層粉末 將會通過分子間的吸附力(范德華力)而吸附到集流體上，然后通過輥輪對 吸附有催化層粉末的集流體進(jìn)行輥壓，最后將防水透氣層包覆到集流體上即 可制得本發(fā)明的空氣電極。因此，通過該方法可以方便地制得本發(fā)明的空氣 電極。并且，與現(xiàn)有技術(shù)中通過涂漿方法將催化層涂覆到集流體上或者通過 層壓方法將催化層壓制到集流體上的情況相比，在本發(fā)明中，由于采用的催 化層材料可以經(jīng)過球磨機(jī)的高速研磨混合，分散均勻，并且混合后的粉料能 夠在集流體分散更均勻，所以通過本發(fā)明的方法制得的不同空氣電極上的催 化劑的量差異性小，因此電池性能的離散性好。
現(xiàn)有的空氣電極的催化層中含有電阻很大的粘結(jié)劑，而本發(fā)明提供的空 氣電極不含有粘結(jié)劑，因此，采用本發(fā)明提供的空氣電極的電池具有較小的 內(nèi)阻。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種空氣電極的制備設(shè)備，所述設(shè)備包 括粉料箱和振動器，所述粉料箱具有可開閉的出口，所述振動器安裝在所述
粉料箱上。
通過本發(fā)明的空氣電極的制備設(shè)備，可以方便地實現(xiàn)本發(fā)明的上述方 法，輕松制得本發(fā)明的上述空氣電極。并且，本發(fā)明的空氣電極的制備設(shè)備 結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實現(xiàn)。
圖1是本發(fā)明的空氣電極的制備設(shè)備的一種實施例的示意圖2是用于軟化本發(fā)明的空氣電極的軟化輥的一種實施例的示意圖。
具體實施例方式
下面，通過具體的實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明提供的一種空氣電極，該空氣電極包括集流體、催化層和防水透 氣層，所述催化層為催化劑和導(dǎo)電劑的混合物。
所述空氣電極的一般組成為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，通常包括集流體、 催化層和防水透氣層。催化層和防水透氣層通常分別位于集流體的兩側(cè)。在 本發(fā)明中，為了增加發(fā)電效率，可以在集流體的兩側(cè)均負(fù)載有催化層。防水 透氣層則僅設(shè)置在集流體的一側(cè)。S卩，當(dāng)集流體的一側(cè)負(fù)載有催化層時，防 水透氣層則負(fù)載在集流體的另一側(cè)上；當(dāng)集流體的兩側(cè)均負(fù)載有催化層時， 防水透氣層則負(fù)載在一側(cè)的催化層的外面。
負(fù)載在集流體上的催化層的量可以為0.01 0.06克/厘米2，優(yōu)選為0.04 克/厘米2。
所述集流體通常選用多孔泡沫材料，例如泡沫銅或者泡沫鎳。所述防水 透氣層可以是由乙炔黑、石墨、高分子憎水材料混合或高分子憎水材料與無 機(jī)、有機(jī)發(fā)孔材料混合，通過熱壓、碾壓或流延法制備得到，優(yōu)選情況下， 采用聚四氟乙烯(PTFE)防水透氣膜。
在現(xiàn)有技術(shù)中，所述催化層除了包括催化劑和導(dǎo)電劑之外，還包括粘結(jié)
劑，用于將催化層粘結(jié)在集流體上。所述催化劑可以是Ag、 二氧化錳、 LiMnxCo2—x04、 LazCa卜zCo03中的一種或多種，其中，0《X《2， 0《z《l。 所述導(dǎo)電劑通常選用活性炭和/或乙炔黑。所述粘結(jié)劑通常是聚四氟乙烯，在 制備催化層的過程中，所述粘結(jié)劑通常是以溶液的形式加入。
在本發(fā)明的空氣電極中，由于采用了不同于現(xiàn)有技術(shù)中的涂漿方法和壓 制方法，因此不需要在催化層中使用粘結(jié)劑，由此可以顯著降低使用這種空 氣電極的金屬空氣電池的內(nèi)阻。在本發(fā)明中，催化劑與導(dǎo)電劑的重量比可以
為1: 4-1: 1，優(yōu)選為2: 3。
下面對本發(fā)明的空氣電極的制備方法進(jìn)行說明。該制備方法包括在集流 體上負(fù)載催化層和防水透氣層，所述催化層由催化劑和導(dǎo)電劑組成，所述負(fù) 載催化層的方法包括將集流體置于振動狀態(tài)下的催化層粉末中，使得催化層 粉末吸附在集流體的兩側(cè)上，然后將吸附有催化層粉末的集流體輥壓。
所述催化層粉末可以由催化劑和導(dǎo)電劑研磨后均勻混合而成。例如，可
以將催化劑和導(dǎo)電劑的混合物放置到球磨機(jī)中研磨混合10-20分鐘，將其研 磨成微細(xì)粉末并混合均勻。然后，通過將得到的催化層粉末放置到粉料箱中 并控制粉料箱振動，將集流體放置到粉料箱中。此時，催化層粉末將被抖動 到并吸附到集流體上，之后可以通過一對輥輪對吸附有催化層粉末的集流體 進(jìn)行輥壓，使催化層粉末牢固接合到集流體上，優(yōu)選接合到集流體的兩側(cè)上。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述粉末的振動頻率可以為40-2000赫茲， 優(yōu)選為300-1000赫茲；所述粉末的顆粒大小可以為100-800目，優(yōu)選為 200-400目；振動時間大于1分鐘，優(yōu)選為一直連續(xù)振動；粉末的體積至少 為集流體體積的1.5倍，優(yōu)選為2-10倍；所述輥壓壓力可以為l-5MPa，優(yōu) 選為l-2MPa，輥壓溫度可以為常溫，優(yōu)選為室溫，輥壓時間可以為0.5-3分 鐘，優(yōu)選為1-2分鐘。
為了使催化層粉末和集流體能夠更牢固地接合，還可以集流體上負(fù)載催 化層之前，在集流體上施加少許粘結(jié)劑。例如，可以將集流體置于聚四氟乙 烯溶液中，然后取出并干燥。由此，在催化層粉末吸附到集流體上時，粉末 能夠更牢固地接合到集流體上。
為了使催化層和集流體能夠更牢固地接合，還可以在將吸附有催化層粉 末的集流體輥壓之后，通過熱壓機(jī)對集流體進(jìn)行熱壓。所述熱壓壓力為
l-2MPa，熱壓溫度為常溫，熱壓時間為l-2分鐘。熱壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和熱壓方法 是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，因此不再贅述。
在利用本發(fā)明的空氣電極制造圓柱形鋅空氣電池時，可以將吸附有催化 層粉末的集流體通過軟化輥輪或者其它已知的軟化裝置進(jìn)行軟化處理，然后 將經(jīng)過軟化處理的吸附有催化層粉末的集流體巻成筒狀，然后用聚四氟乙烯 防水透氣膜包裹。
集流體通過軟化輥輪軟化之后，可以更富有柔韌性，從而更有利于巻繞， 提高電池產(chǎn)品的質(zhì)量和加工的方便性。在本發(fā)明中，軟化輥輪可以采用其它 領(lǐng)域中使用的相關(guān)技術(shù)，但是在現(xiàn)有技術(shù)中尚沒有發(fā)現(xiàn)將軟化輥輪用于軟化 集流體或空氣電極的技術(shù)方案。
圖2是本發(fā)明提供的一種軟化輥輪的優(yōu)選實施例示意圖。如圖2所示， 軟化輥輪7分為上下平行設(shè)置的兩行軟化輥輪，第一行包括三個軟化輥輪， 第二行包括兩個軟化輥輪，每一行的軟化輥輪之間以規(guī)則間隔排列，并且第 一行的三個軟化輥輪與第二行的二個軟化輥輪在軸向方向上依次輪流間隔 排列，從而使得集流體4能夠以"S"形(或者波紋形)路徑從兩行軟化輥 輪之間穿過，達(dá)到軟化集流體的作用。
顯然，圖2中所示的僅僅是一種優(yōu)選的實施例。所述軟化輥輪的數(shù)量、 軟化輥輪的尺寸、軟化輥輪之間的橫向和縱向間隔等等都可以根據(jù)需要而做 適當(dāng)調(diào)整。例如，為了增加集流體的軟化效果，可以增加多個軟化輥輪，或
者縮小兩行軟化輥輪之間的縱向(圖2中的上下方向)距離。
下面，參照圖l對本發(fā)明的空氣電極的制備設(shè)備進(jìn)行舉例說明。
如圖1所示，本發(fā)明提供的空氣電極的制備所述設(shè)備主要包括粉料箱1
和振動器2，所述粉料箱l具有可開閉的出口，所述振動器2安裝在所述粉
料箱1上。
另外，該設(shè)備還可以包括輥輪對5，位于所述出口的下游。在所述出口 的下面還可以設(shè)置有間距可調(diào)節(jié)的集流體厚度調(diào)節(jié)板6，該集流體厚度調(diào)節(jié) 板6位于所述出口與所述輥輪對5之間。優(yōu)選地，所述輥輪對5之間的間距 可調(diào)。所述粉料箱1優(yōu)選為漏斗狀的粉料箱，所述出口位于該漏斗狀粉料箱 1的底部?？砷_閉的出口可以使用現(xiàn)有的任何公知的形式。例如，作為例子， 可以通過將蓋板一側(cè)彈性鉸接在開口邊緣，在沒有外力時該蓋板由于彈性力 而保持將開口關(guān)閉，在受到外力如集流體的推動時，蓋板克服彈性力而打開。 或者，蓋板一側(cè)鉸接在開口邊緣，同時利用一個獨(dú)立的彈簧將其拉緊在開口 上。或者，還可以在開口的軸向方向設(shè)置一個狹槽，并在狹槽中設(shè)置一個活 動推板，該推板向前推進(jìn)時開口閉合，推板向后拉出時開口打開。
間距可調(diào)節(jié)的集流體厚度調(diào)節(jié)板6也可以具有各種形式。例如，該厚度 調(diào)節(jié)板6可以簡單地使用間距可調(diào)節(jié)的可相對運(yùn)動的兩塊對置的薄板即可以 實現(xiàn)?；蛘?，在兩塊對置的薄板之間設(shè)置彈性元件如彈簧以便它們之間的間 距彈性可調(diào)節(jié)，或者設(shè)置一些止擋將其中一個或者兩個薄板選擇性地設(shè)置在 不同位置，從而實現(xiàn)它們之間的間距可選擇在特定大小。
在利用該設(shè)備制造本發(fā)明的空氣電極時，首先將粉料箱1的下端的出口 封閉，然后向粉料箱l中加入催化層粉末3，并啟動所述振動器2使粉料箱 1帶動其中的催化層粉末3振動，或者也可以直接利用微波振動器使粉料箱 1中的粉末3振動而粉料箱本身不振動。此時，將集流體4從粉料箱1的上 端敞開口緩慢放入并經(jīng)過振動的催化層粉末3向著粉料箱1下端的出口移
動。在集流體4的下端抵達(dá)所述出口時，打開所述出口，此時集流體4就可 以穿過該出口繼續(xù)向下移動。在集流體4經(jīng)過粉料箱4時，催化層粉末3將 會吸附到集流體4上。之后，當(dāng)集流體4穿過出口達(dá)到出口下方的輥輪對5 時，被輥輪對5輥壓，從而使催化層粉末牢固地接合到了集流體4上。
圖1中所示的位于粉料箱1出口外面的集流體厚度調(diào)節(jié)板6，用于在集 流體4經(jīng)過出口之后，刮去集流體4表面上的浮粉。通過調(diào)節(jié)集流體厚度調(diào) 節(jié)板6的間距，可以適當(dāng)控制集流體4上吸附的催化層粉末的數(shù)量。另外， 通過調(diào)節(jié)輥輪對5的間距，控制制得的集流體的厚度，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)集流體 及催化層的疏松程度。
下面的實施例將對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
實例1
本實例說明本發(fā)明提供的設(shè)備。
制備了如圖1所示的設(shè)備。其中，粉料箱為漏斗狀，上端大小24X16cm2， 高為14cm，采用厚度為2毫米的不銹鋼材料制成，所述粉料箱下部具有出 口，通過手動調(diào)節(jié)活動夾板可開閉。
粉料箱相對的兩個內(nèi)壁上固定連接有2個微型振動器，所述振動器為上 海金零科際有限公司生產(chǎn)的牌號為K16的微型振動器。
該設(shè)備還包括集流體厚度調(diào)節(jié)板，該調(diào)節(jié)板用不銹鋼材料制成，長度為 16cm，寬度為3.5cm，厚度為0.8cm，集流體厚度調(diào)節(jié)板的間距為1.2mm。 所述輥輪對中的每個輥輪的直徑為5cm，用鍍鉻的不銹鋼鋼材料制成，兩個 輥輪之間的間隙為0.8mm。軟化輥輪的直徑為30cm，材料為不銹鋼。
實例2
本實例說明本發(fā)明提供的空氣電極及其制備方法。 在實例1制備的裝置的粉料箱中放入200目的催化劑和導(dǎo)電劑的混合物 顆粒，占粉料箱容積的2/3，催化劑和導(dǎo)電劑的重量比為2: 3，所述催化劑
為二氧化錳，導(dǎo)電劑是重量比為2: l的活性碳和乙炔黑。
將長度為100cm寬度為14cm，厚度為1.2mm的泡沫鎳(長沙力源新材 的連續(xù)帶狀泡沫鎳)，插入裝有催化劑和導(dǎo)電劑的混合物的粉料箱中，開啟 固定在粉料箱內(nèi)壁上的2個振動器，在振動頻率為100HZ的條件下，振動5 分鐘，從粉料箱出口取出吸附有催化劑和導(dǎo)電劑的泡沫鎳，通過軟化輥輪軟 化。然后將其裁成3.5X7cm的空氣電極。
通過BS9300電池測試儀對由所制得的空氣電極組成的圓柱型鋅空氣電 池進(jìn)行測試，內(nèi)阻為50mQ左右，且放電性能良好，可以以150mA放電， 放電電量為6000mAh。通過傳統(tǒng)的方法制得的空氣電極內(nèi)阻最小為100mQ 左右。
按照相同的方法制備出100個空氣電極，稱量每片空氣電極的重量為 1.26g士0.02g (涂片前3.5X7cr^的空氣電極的重量為0.65g)，由制得空氣電 極的重量可以看出催化層在泡沫鎳上分布均勻。
權(quán)利要求
1、一種空氣電極，該空氣電極包括集流體、催化層和防水透氣層，其特征在于，所述催化層為催化劑和導(dǎo)電劑的混合物。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣電極，其中，所述催化層負(fù)載在所述集 流體的兩側(cè)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空氣電極，其中，所述防水透氣層設(shè)置 在所述集流體的一側(cè)，與集流體或催化層接觸。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣電極，其中，負(fù)載在集流體上的催化層 的量為0.01 0.06克/厘米2。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的空氣電極，其中，所述催化劑為Ag、 二氧化 錳、LiMnxCo2—x04、 LazCa卜zCo03中的一種或多種，其中，0《X《2， 0《z《l;導(dǎo)電劑為活性炭和/或乙炔黑，催化劑與導(dǎo)電劑的重量比為1: 4 1: 1;所 述集流體為泡沫鎳或泡沫銅；所述防水透氣層為聚四氟乙烯防水透氣膜。
6、 一種空氣電極的制備方法，該方法包括在集流體上負(fù)載催化層并設(shè) 置防水透氣層，其特征在于，所述負(fù)載催化層的方法包括將集流體置于振動 狀態(tài)下的粉末中，使得粉末吸附在集流體的兩側(cè)上，然后將吸附有粉末的集 流體輥壓，所述粉末為催化劑和導(dǎo)電劑的混合物。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中所述粉末的振動頻率為40-1000 赫茲；所述粉末的顆粒大小為100-800目；振動時間大于l分鐘；粉末的體 積至少為集流體體積的1.5倍；所述輥壓壓力為l-2MPa，輥壓溫度為常溫， 輥壓時間為1-2分鐘。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，在將吸附有催化層粉末的 集流體輥壓之后，通過熱壓機(jī)對集流體進(jìn)行熱壓；所述熱壓壓力為l-2MPa，熱壓溫度為常溫，熱壓時間為l-2分鐘。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，將吸附有粉末的集流體以 波紋形路徑依次經(jīng)過多個軟化輥輪而進(jìn)行軟化處理。
10、 一種制備空氣電極的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括粉料箱和振 動器，所述粉料箱具有可開閉的出口，所述振動器安裝在所述粉料箱上。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的設(shè)備，其中所述粉料箱為漏斗形狀，所述 可開閉的出口位于漏斗形狀的粉料箱的底部。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，所述振動器安裝在所述粉料箱的側(cè)壁上。
13、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的設(shè)備，其中該設(shè)備還包括位于所述出口下 游的輥輪對。
14、 根據(jù)權(quán)利要去IO所述的設(shè)備，其中，該設(shè)備還包括集流體厚度調(diào) 節(jié)板，該調(diào)節(jié)板設(shè)置在出口和輥輪對之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種空氣電極，包括集流體、催化層和防水透氣層，所述催化層為催化劑和導(dǎo)電劑的混合物。由于在催化層中不含有粘結(jié)劑如聚四氟乙烯，所以與使用傳統(tǒng)的空氣電極的金屬空氣電池相比，使用本發(fā)明的空氣電極的金屬空氣電池能夠有效降低電池內(nèi)阻。本發(fā)明還提供一種空氣電極的制備方法，包括將集流體置于振動狀態(tài)下的催化層粉末中，使得催化層粉末吸附在集流體的兩側(cè)上，然后將吸附有催化層粉末的集流體輥壓，最后包覆防水透氣層制得本發(fā)明的空氣電極。本發(fā)明還公開了一種使用上述方法制備本發(fā)明空氣電極的設(shè)備。
文檔編號H01M4/86GK101197444SQ20061015311
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者朱志堅, 李玉冰, 董俊卿 申請人:比亞迪股份有限公司