本發(fā)明屬于金屬空氣電池領(lǐng)域，涉及一種陰極，具體涉及一種可充放電金屬空氣電池陰極及其制備方法。

背景技術(shù)：

金屬空氣電池作為一種具有特殊放電模式的燃料電池，不僅擁有普通燃料電池發(fā)電效率高、無(wú)污染的特點(diǎn)，還具有功率密度高，可持續(xù)放電的優(yōu)點(diǎn)。金屬空氣電池的工作原理是陽(yáng)極在消耗金屬的同時(shí)，陰極需要消耗空氣中的氧氣，因此陰極需要良好的空氣透過(guò)率?，F(xiàn)有的金屬空氣電池如圖1所示，它通常具有一個(gè)陽(yáng)極和兩個(gè)陰極，其中一個(gè)陰極進(jìn)行充電而另一個(gè)陰極進(jìn)行放電，這就造成了其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而成本較高；而現(xiàn)有只具有一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)陰極的金屬空氣電池則穩(wěn)定性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種可充放電金屬空氣電池陰極。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種可充放電金屬空氣電池陰極，它包括泡沫基體、沉積在所述泡沫基體上的貴金屬納米粒子以及粘結(jié)在所述泡沫基體任一表面的催化層；所述泡沫層的厚度為0.1～10mm，其孔隙率為70～98％。

優(yōu)化地，所述泡沫層的孔隙率為75～95％。

優(yōu)化地，它還包括形成在所述催化層表面的微孔ptfe膜。

優(yōu)化地，所述泡沫基體的材質(zhì)為ni、cu、nicrfe、zncu、nicu、nicrw、nife或ti。

優(yōu)化地，所述貴金屬納米粒子為pt或ir，其粒徑為5～50nm。

本發(fā)明的又一目的在于提供一種上述可充放電金屬空氣電池陰極的制備方法，它包括以下步驟：

(a)將泡沫基體置于貴金屬納米粒子前驅(qū)體溶液，加熱至沸騰，隨后加入檸檬酸鈉溶液在不斷攪拌的條件下保持沸騰，得到沉積有貴金屬納米粒子的泡沫基體；

(b)取ptfe乳液溶于乙醇中，再加入金屬氧化物催化劑超聲分散形成漿料；

(c)將所述漿料涂覆在沉積有貴金屬納米粒子的所述泡沫基體表面，干燥形成催化層。

優(yōu)化地，它還包括步驟(d)將微孔ptfe膜加熱至260～280℃，用輥軸對(duì)其進(jìn)行擠壓使其覆設(shè)于所述催化層表面，隨后將其置于水中進(jìn)行急冷。

優(yōu)化地，步驟(a)中，所述貴金屬納米粒子前驅(qū)體溶液的濃度為0.005～0.015mol/l。

進(jìn)一步地，步驟(a)中，所述檸檬酸鈉溶液的濃度為0.05～0.15mol/l。

優(yōu)化地，所述步驟(b)中，加入金屬氧化物催化劑的同時(shí)還加入乙炔黑，使得乙炔黑在所述漿料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5～2％。

由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明可充放電金屬空氣電池陰極，通過(guò)在其內(nèi)沉積貴金屬納米粒子并粘結(jié)形成催化層，這樣在充電時(shí)能夠利用貴金屬納米粒子作用催化oh^-生成氧氣，而在放電時(shí)能夠利用催化層催化氧氣形成oh^-，實(shí)現(xiàn)了充放電的雙重功能，比較穩(wěn)定；而且不存在含碳材料，這樣避免了吸附氧的作用而出現(xiàn)氧化的風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有金屬空氣電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明可充放電金屬空氣電池陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可充放電金屬空氣電池陰極，它包括泡沫基體、沉積在所述泡沫基體上的貴金屬納米粒子以及粘結(jié)在所述泡沫基體任一表面的催化層；所述泡沫層的厚度為0.1～10mm，其孔隙率為70～98％；優(yōu)選為75～95％。通過(guò)在其內(nèi)沉積貴金屬納米粒子并粘結(jié)形成催化層，這樣在充電時(shí)能夠利用貴金屬納米粒子作用催化oh^-生成氧氣，而在放電時(shí)能夠利用催化層催化氧氣形成oh^-，實(shí)現(xiàn)了充放電的雙重功能，比較穩(wěn)定；而且不存在含碳材料，這樣避免了吸附氧的作用而出現(xiàn)氧化的風(fēng)險(xiǎn)。該可充放電金屬空氣電池陰極還包括形成在所述催化層表面的微孔ptfe膜(市售的即可)，以減少堿液側(cè)漏。泡沫基體的材質(zhì)為常規(guī)的那些，如ni、cu、nicrfe、zncu、nicu、nicrw、nife或ti。貴金屬納米粒子優(yōu)選為pt或ir，其粒徑為5～50nm。催化層為市售的鈣鈦礦型金屬氧化物。上述充放電金屬空氣電池陰極的制備方法，它包括以下步驟：(a)將泡沫基體置于貴金屬納米粒子前驅(qū)體溶液，加熱至沸騰，隨后加入檸檬酸鈉溶液在不斷攪拌的條件下保持沸騰，得到沉積有貴金屬納米粒子的泡沫基體；(b)取ptfe乳液溶于乙醇中，再加入金屬氧化物催化劑超聲分散形成漿料；(c)將所述漿料涂覆在沉積有貴金屬納米粒子的所述泡沫基體表面，干燥形成催化層。優(yōu)化地，它還包括步驟(d)將微孔ptfe膜加熱至260～280℃，用輥軸對(duì)其進(jìn)行擠壓使其覆設(shè)于所述催化層表面，隨后將其置于水中進(jìn)行急冷。步驟(a)中，所述貴金屬納米粒子前驅(qū)體溶液的濃度優(yōu)選為0.005～0.015mol/l；而所述檸檬酸鈉溶液的濃度優(yōu)選為0.05～0.15mol/l。所述步驟(b)中，加入金屬氧化物催化劑的同時(shí)還加入乙炔黑，使得ptfe乳液和金屬氧化物催化劑的質(zhì)量總和與乙炔黑的質(zhì)量比為1～5∶1。

下面將結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種可充放電金屬空氣電池陰極，如圖2所示，它包括泡沫基體1、沉積在泡沫基體1上的貴金屬納米粒子、粘結(jié)在泡沫基體表面的催化層2以及覆設(shè)在催化層2表面的微孔ptfe膜4；它的制備方法包括以下步驟：

(a)將泡沫鎳(市售，德斯科，面密度(250～450)±30g/m²，縱向抗拉強(qiáng)度≥40n/20mm，橫向抗拉強(qiáng)度≥30n/20mm，孔隙率約為90％；使用前用乙醇、丙酮分別清洗多次)浸入貴金屬納米粒子前驅(qū)體溶液(氯鉑酸溶液，濃度為0.01mol/l，10ml)中加熱至沸騰，在不斷攪拌的條件下(攪拌速度為1200轉(zhuǎn)/分鐘)加入10ml、0.09mol/l的檸檬酸鈉溶液中保持沸騰15min即可，使得泡沫基體上沉積有鉑納米粒子(20～50nm)；

(b)將ptfe乳液(市售，阿拉丁，60wt％)與金屬氧化物催化劑(la0.6ca0.4coo3，參考鋅空氣電池鈣鈦礦型空氣電極催化劑的研究)按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行混合，加入少量乙醇破乳，進(jìn)行研磨混合形成漿料；

(c)將漿料涂覆或壓在在沉積有貴金屬納米粒子的泡沫基體表面，置于120℃的烘箱中干燥形成催化層；

(d)將微孔ptfe膜(市售)加熱至260～280℃，用輥軸對(duì)其進(jìn)行擠壓使其覆設(shè)在催化層表面，隨后將其置于水(20～30℃)中進(jìn)行急冷。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種可充放電金屬空氣電池陰極，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基本一致，不同的是未在催化層2的表面覆設(shè)微孔ptfe膜4。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種可充放電金屬空氣電池陰極，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基本一致，不同的是使用的前驅(qū)體溶液為氯銥酸。

實(shí)施例4

本實(shí)施例提供一種可充放電金屬空氣電池陰極，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基本一致，不同的是：步驟(b)中，還加入乙炔黑使其與金屬氧化物催化劑的質(zhì)量比為1∶1。

實(shí)施例5

本實(shí)施例提供一種可充放電金屬空氣電池陰極，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基本一致，不同的是：步驟(a)中，使用的氯鉑酸溶液濃度為0.005mol/l，檸檬酸鈉溶液的濃度為0.05mol/l。

實(shí)施例6

本實(shí)施例提供一種可充放電金屬空氣電池陰極，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基本一致，不同的是：步驟(a)中，使用的氯鉑酸溶液濃度為0.015mol/l，檸檬酸鈉溶液的濃度為0.15mol/l。

實(shí)施例7

本實(shí)施例提供一種可充放電金屬空氣電池陰極，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基本一致，不同的是：步驟(b)中，還加入乙炔黑，使得ptfe乳液和金屬氧化物催化劑的質(zhì)量總和與乙炔黑的質(zhì)量比為1∶1。

實(shí)施例8

本實(shí)施例提供一種可充放電金屬空氣電池陰極，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基本一致，不同的是：步驟(b)中，還加入乙炔黑，使得ptfe乳液和金屬氧化物催化劑的質(zhì)量總和與乙炔黑的質(zhì)量比為5∶1。

對(duì)比例1

本例提供一種金屬空氣電池陰極，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基本一致，不同的是未在泡沫基體上沉積鉑納米粒子。

將實(shí)施例1-8和對(duì)比例1中制得的陰極分別與相同的鋅膏、電解液6mol/l氫氧化鈉溶液組裝成金屬空氣電極進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，它們放電過(guò)程中的容量分別為450mah、420mah、500mah、480mah、450mah、450mah、485mah、465mah和350mah，可以發(fā)現(xiàn)沉積貴金屬納米粒子后與催化層產(chǎn)生了協(xié)同作用，從而提高了金屬空氣電池的放電容量，還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行直接充電，簡(jiǎn)化了電池的結(jié)構(gòu)和成本。但是，如果不覆設(shè)微孔ptfe膜4，實(shí)施例2中的電池在放置一段時(shí)候后有少量電解液滲出。

上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。