一種鋰空氣電池用一體化空氣電極的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電池電極制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及鋰空氣電池空氣電極的制備方法：一體化空氣電極是以隔膜作為基體材料，在基體一側(cè)表面涂覆由電極材料、分散劑和粘結(jié)劑PTFE組成的混合物，分散劑為高沸點(diǎn)溶劑丙二醇、丙三醇、N-N二甲基乙酰胺中的一種或兩種以上的混合溶劑；將混合物刮涂于隔膜上，對其進(jìn)行分步干燥，干燥方法為室溫下干燥12-48小時，35-50℃干燥12-48小時，60-80℃在真空或惰性氣氛保護(hù)下干燥12-48小時。制備的一體化空氣電極用于鋰空電池中，具有較高穩(wěn)定性。
【專利說明】一種裡空氣電池用一體化空氣電極的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池電極制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及鋰空氣電池空氣電極的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著便攜式電子設(shè)備以及電動車的迅速發(fā)展，市場迫切需求高比能量和高比容量的二次電池。鋰-空氣電池是金屬-空氣電池中的一種，它是以金屬鋰為負(fù)極，空氣電極為正極的二次電池。由于作為負(fù)極材料的金屬鋰具有最低的理論電壓以及較高的理論比容量(高達(dá)3，862mAh/g),同時作為正極活性物質(zhì)的氧氣可直接從空氣中獲得(正極的理論比容量無限大)，因此，鋰-空氣電池具有極高的比容量和比能量。以鋰為標(biāo)準(zhǔn)，其理論比能量密度可達(dá)11，140Wh/Kg，而實(shí)際比能量也遠(yuǎn)高于常用的鋰離子電池，因此鋰-空氣電池在民用及軍用領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。
[0003]目前，鋰-空氣電池主要采用各種碳材料和催化劑作為電極材料，通過混入粘結(jié)齊U，通過輥壓工藝制備空氣電極。輥壓工藝是將碳材料或催化劑與粘結(jié)劑均勻混合后制備成碳膏，再將碳膏通過對輥機(jī)輥壓制備成碳電極。由于輥壓過程中碳材料或催化劑顆粒間的孔道被壓縮，因此輥壓工藝制備的空氣電極孔隙率較低，不利于氧氣在空氣電極中的擴(kuò)散，而且電極材料的孔道和表面利用率低。
[0004]相比于輥壓法，使用刮涂法由于在制備過程中電極材料顆粒相互間沒有進(jìn)行擠壓，保留了電極材料顆粒間的空隙率。因此制備得到的空氣電極空隙率極高。通過孔隙率的提高，可以強(qiáng)化氧氣在空氣電極中的傳質(zhì)情況，改善高倍率下充放電條件下的電池性能。另外通過這種制備方法，電極材料表面和孔道利用率高，從而電極材料的比容量得到提高。
[0005]目前報道的刮涂法制備空氣電極常用粘結(jié)劑為PVDF和Naf1n，但PVDF中的C-H鍵和Naf1n中的磺酸根穩(wěn)定性不好，容易分解造成電極容量下降和循環(huán)壽命降低。而PTFE由于具有全氟鏈，因此穩(wěn)定性較好，是鋰空氣電池中理想的粘結(jié)劑。但是PTFE在制備電極的過程中，成膜困難，電極容易產(chǎn)生裂紋，很難用刮涂法制備出合格的電極。本發(fā)明采用合適的溶劑，同時采用合適的干燥工藝，制備出性能優(yōu)良的以PTFE作為粘結(jié)劑的鋰空氣電池用刮涂電極。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種鋰空氣電池一體化空氣電極及其制備方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種鋰空氣電池用一體化空氣電極，所述電極是以電極材料、分散劑和粘結(jié)劑PTFE作為基體材料，附著于隔膜表面一側(cè)，基體擔(dān)載量為0.5mg/cm2-2mg/cm2,厚度為1ym至10ym,其中電極材料和粘結(jié)劑質(zhì)量比為5:5-19:1，分散劑與電極材料比例為l/5-l/50L/g。
[0009]所述電極材料由碳材料和催化劑組成。
[0010]所述分散劑為高沸點(diǎn)溶劑丙二醇、丙三醇、N-N 二甲基乙酰胺中的一種或兩種以上的混合溶劑。
[0011]所述一體化空氣電極采用如下步驟制備而成，將碳材料和催化劑按質(zhì)量比1:100-100:1混合，將混合物加入分散液中通過超聲或/和攪拌使其分散均勻，然后加入粘結(jié)劑PTFE繼續(xù)分散制得混合液，將混合液刮涂于隔膜上，控制擔(dān)載量為0.5mg/cm2-2mg/cm2，對其進(jìn)行分布干燥，干燥方法為室溫下干燥12-48小時，35-50°C干燥12-48小時，60-80°C在真空或惰性氣氛保護(hù)下干燥12-48小時。
[0012]本發(fā)明有益效果:
[0013]1.選擇PTFE做粘結(jié)劑，制備的一體化空氣電極用于鋰空電池中，具有較高穩(wěn)定性；
[0014]2.選擇PTFE做粘結(jié)劑，通過選擇高沸點(diǎn)分散劑，并采用分步干燥方法，成功利用刮涂法制備電極，電極容量與使用低沸點(diǎn)分散劑或者快速干燥的方法相比可以提高3-4倍。

【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例1:
[0016]將80mg Super Ρ/Μη02電極材料與4ml丙二醇混合,并超聲30分鐘使其分散均勻。然后加入400mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PTFE乳液，攪拌5分鐘，并超聲30分鐘，使電極材料，PTFE乳液分散均勻。然后用刮板將分散液均勻刮涂于多孔PP隔膜上。將涂有分散液的多孔PP隔膜于室溫下干燥24h，再于40°C下干燥12h，再于60°C下真空干燥12h。即制備得到所需電極。該電極在30mA/g下放電容量可達(dá)8400mAh/g。
[0017]實(shí)施例2:
[0018]將80mg KB300/Co304電極材料與4ml丙三醇混合，并超聲30分鐘使其分散均勻。然后加入400mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PTFE乳液，攪拌5分鐘，并超聲30分鐘，使電極材料，PTFE乳液分散均勻。然后用刮板將分散液均勻刮涂于多孔PP隔膜上。將涂有分散液的多孔PP隔膜于室溫下干燥24h，再于40°C下干燥12h，再于60°C下真空干燥12h。即制備得到所需電極。該電極在30mA/g下放電容量可達(dá)7100mAh/g。
[0019]對比例1:
[0020]將80mg Super Ρ/Μη02電極材料與4ml乙醇混合,并超聲30分鐘使其分散均勻。然后加入400mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PTFE溶液，攪拌5分鐘，并超聲30分鐘，使電極材料，PTFEF溶液分散均勻。然后用刮板將分散液均勻刮涂于多孔PP隔膜上。將涂有分散液的多孔PP隔膜于室溫下干燥24h，再于40°C下干燥12h，再于60°C下真空干燥12h。即制備得到所需電極。該電極在30mA/g下放電容量為3000mAh/g
[0021]對比例2:
[0022]將80mg KB300/Co304電極材料與4ml丙三醇混合，并超聲30分鐘使其分散均勻。然后加入400mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PTFE溶液，攪拌5分鐘，并超聲30分鐘，使電極材料，Naf1n溶液分散均勻。然后用刮板將分散液均勻刮涂于多孔PP隔膜上。將涂有分散液的多孔PP隔膜于60°C下真空干燥12h。即制備得到所需電極。該電極在30mA/g下放電容量為 2000mAh/g。
[0023]總結(jié):
[0024]通過使用高沸點(diǎn)溶劑分散電極材料和PTFE，并采用分步干燥的方法，使刮涂電極在干燥過程中溶劑以較低的速度揮發(fā)，溶劑去除過程中電極不會出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象，保持了電極的完整形貌和導(dǎo)電性。而使用低沸點(diǎn)的溶劑和一步快速干燥的方法，溶劑去除速度快，電極極易開裂，造成電極材料脫落，同時電極的導(dǎo)電性下降，從而導(dǎo)致電池容量較低。
【權(quán)利要求】
1.一種鋰空氣電池用一體化空氣電極的制備方法，其特征在于:所述一體化空氣電極是以隔膜作為基體材料，在基體一側(cè)表面涂覆由電極材料、分散劑和粘結(jié)劑PTFE組成的混合物，混合物擔(dān)載量為0.5mg/cm2-2mg/cm2,涂層厚度為10 μ m至100 μ m,其中電極材料和粘結(jié)劑質(zhì)量比為5:5-19:1，分散劑與電極材料體積質(zhì)量比例為1/5-1/50升/克； 所述分散劑為高沸點(diǎn)溶劑丙二醇、丙三醇、N-N 二甲基乙酰胺中的一種或兩種以上的混合溶劑； 將混合物刮涂于隔膜上，對其進(jìn)行分步干燥，干燥方法為室溫下干燥12-48小時，35-50°C干燥12-48小時，60_80°C在真空或惰性氣氛保護(hù)下干燥12-48小時。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一體化空氣電極的制備方法，其特征在于: 所述一體化空氣電極采用如下步驟制備而成，將碳材料和催化劑按質(zhì)量比1:100-100:1混合，將混合物加入分散劑中通過超聲或/和攪拌使其分散均勻，然后加入粘結(jié)劑PTFE繼續(xù)分散制得混合液，將混合液刮涂于隔膜上，對其進(jìn)行分步干燥，干燥方法為室溫下干燥12-48小時，35-50°C干燥12-48小時，60_80°C在真空或惰性氣氛保護(hù)下干燥12-48小時。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一體化空氣電極的制備方法，其特征在于: 所述電極材料由碳材料和催化劑組成，其中碳材料和催化劑質(zhì)量比為1:100-100:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一體化空氣電極，其特征在于:所述碳材料為SuperP、BP200、KB300、KB600、XC72或AC中的一種或兩種以上；所述催化劑為貴金屬Au、Pt、Ag、Pd、或金屬氧化物 Co3O4, Fe3O4, MnO2, CuO, N1, Li5FeO4, Li2MnO3.LiFeO2 中的一種或兩種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一體化空氣電極的制備方法，其特征在于:于隔膜上進(jìn)行一次或二次以上的混合物或混合液刮涂，控制電極材料擔(dān)載量為0.5mg/cm2-2mg/cm2。
【文檔編號】H01M4/88GK104518224SQ201310454398
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】張華民, 周偉, 張益寧, 李婧, 聶紅嬌 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所