一種氣體擴(kuò)散層、制備方法以及一種金屬空氣電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣體擴(kuò)散層及其制備方法以及一種 金屬空氣電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬空氣電池一般由金屬陽極、電解液及空氣陰極組成，其中陰極的性能是電池 性能的核心，而空氣陰極的結(jié)構(gòu)一般為三層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)向外依次是：與電解液直接接觸的 催化劑層，為催化劑層提供反應(yīng)物氧氣的氣體擴(kuò)散層，第三層為電流集流導(dǎo)電層；其中氣 體擴(kuò)散層是陰極的關(guān)鍵，其兼顧防止電解液將反應(yīng)物氣體運(yùn)輸通道淹沒的發(fā)生，甚至電解 液漏出電池的危險(xiǎn)，同時(shí)還兼顧氣體有效擴(kuò)散到催化劑層的功能，同時(shí)還需具有一定的 機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率來解決空氣陰極的變形及電阻偏大的問題，因整個(gè)氧還原反應(yīng)發(fā)生在 氣-液-固的三相界面處，因此如果更高效的將反應(yīng)物傳輸?shù)浇缑嫣帉⑹请姵匦阅芨叩偷?關(guān)鍵。
[0003] 目前制備金屬-空氣電池的空氣陰極氣體擴(kuò)散層（⑶L) 一般有兩種結(jié)構(gòu)。第一種 是將碳粉與疏水粘接劑配置成漿料，涂覆在鎳網(wǎng)或者銅網(wǎng)上形成氣體擴(kuò)散層；第二種是使 用碳紙、炭氈或者石墨氈作為電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的支撐體，使用聚四氟乙烯（PTFE)乳液浸漬炭 氈或者石墨氈得到氣體擴(kuò)散層。由于第一種結(jié)構(gòu)中銅網(wǎng)或鎳網(wǎng)常會(huì)因長期使用出現(xiàn)的"爬 液"腐蝕現(xiàn)象，因此近年來結(jié)構(gòu)二更受歡迎。
[0004] 但上述兩種結(jié)構(gòu)均使用了碳材料作為導(dǎo)電支撐材料，而碳材料的導(dǎo)電性較差，電 導(dǎo)率一般小于2S/cm，這導(dǎo)致了使用碳材料的陰極電阻較大，嚴(yán)重影響電池在大功率高電流 放電情況下的性能；此外碳材料作為骨架的氣體擴(kuò)散層強(qiáng)度有限，在制備大面積空氣陰極 時(shí)常會(huì)出現(xiàn)彎曲變形的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種氣體擴(kuò)散層及其制備方法以及 一種金屬空氣電池，本發(fā)明提供的氣體擴(kuò)散層強(qiáng)度高，并且具有良好的導(dǎo)電性能。
[0006] 本發(fā)明提供了一種氣體擴(kuò)散層，包括：
[0007] 導(dǎo)電多孔支撐體和疏水層，所述疏水層包覆于所述導(dǎo)電多孔支撐體表面及所述導(dǎo) 電多孔支撐體的孔道內(nèi)壁，所述導(dǎo)電多孔支撐體的材料選自導(dǎo)電陶瓷。
[0008] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電陶瓷選自鈣鈦礦型導(dǎo)電陶瓷和金屬基導(dǎo)電陶瓷中的一種或多 種。
[0009] 優(yōu)選的，所述鈣鈦礦型導(dǎo)電陶瓷為La1 xSrxC〇1 yFey03、La1 zSrzMn03或 Ba1 nSrnC〇1 nFen03,其中，所述 0 < x 彡 0· 6,0 < y 彡 0· 6,0 彡 z 彡 0· 6,0· 2 彡 m 彡 0· 8,0 < n ^ 0. 4〇
[0010] 優(yōu)選的，所述金屬基導(dǎo)電陶瓷為Ni基導(dǎo)電陶瓷、Cu基導(dǎo)電陶瓷或Fe基導(dǎo)電陶瓷。
[0011] 優(yōu)選的，所述Ni基導(dǎo)電陶瓷選自Ni-Zr02、Ni-Al20 3、Ni-Ce02、Ni_摻雜氧化鋁基陶 瓷、Ni-摻雜氧化鋯基陶瓷、Ni-摻雜氧化鈰基陶瓷、Ni-碳化硅、Ni-氧化鈦或Ni-碳化鈦；
[0012] 所述Cu基導(dǎo)電陶瓷選自Cu-Zr02、Cu-A120 3、Cu-Ce02、Cu-摻雜氧化鋁基陶瓷、 Cu-摻雜氧化鋯基陶瓷、Cu-摻雜氧化鈰基陶瓷、Cu-碳化硅、Cu-氧化鈦或Cu-碳化鈦；
[0013] 所述Fe基導(dǎo)電陶瓷選自Fe-Zr02、Fe-Al20 3、Fe-Ce02、Fe-摻雜氧化鋁基陶瓷、 Fe-摻雜氧化鋯基陶瓷、Fe-摻雜氧化鈰基陶瓷、Fe-碳化硅、Fe-氧化鈦或Fe-碳化鈦。
[0014] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體與疏水層的質(zhì)量比為20:1~1:20。
[0015] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體與疏水層的質(zhì)量比為8:1~1:5。
[0016] 優(yōu)選的，所述疏水層的材料選自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、 全氟烷氧基樹脂及乙烯-四氟乙烯共聚物的一種或多種。
[0017] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體的材料還包括碳材料，所述碳材料選自碳?xì)只蚴?氈。
[0018] 優(yōu)選的，所述碳材料與所述導(dǎo)電陶瓷的質(zhì)量比為1:10~10:1。
[0019] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體的材料還包含非導(dǎo)電陶瓷。
[0020] 優(yōu)選的，所述非導(dǎo)電陶瓷選自氧化鋁、氧化鋯、氧化鈰、氮化硼、碳化硼、氮化硅、碳 化硅或納米金剛石中的一種或多種。
[0021] 優(yōu)選的，所述非導(dǎo)電陶瓷與導(dǎo)電陶瓷的質(zhì)量比為1:10~8:1。
[0022] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體的平均孔徑為0. 05~100 μπι。
[0023] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體的平均孔徑為0. 1~50 μπι。
[0024] 本發(fā)明還提供了一種氣體擴(kuò)散層的制備方法，包括以下步驟：
[0025] 將疏水材料涂覆于導(dǎo)電多孔支撐體表面及導(dǎo)電多孔支撐體的孔道內(nèi)壁，烘干焙 燒，得到氣體擴(kuò)散層，所述導(dǎo)電多孔支撐體的材料選自導(dǎo)電陶瓷。
[0026] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體的制備方法包含：
[0027] Al)將鈣鈦礦型導(dǎo)電陶瓷素坯經(jīng)過燒結(jié)，得到導(dǎo)電多孔支撐體；
[0028] 或者
[0029] A2)將成型的復(fù)合材料粉末燒結(jié)后經(jīng)過還原反應(yīng)，得到導(dǎo)電多孔支撐體，所述復(fù)合 材料粉末為金屬氧化物粉末與陶瓷粉末的混合物。
[0030] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體的材料還包括碳材料和非導(dǎo)電陶瓷中的一種或兩 種，所述碳材料選自炭氈或石墨氈，所述非導(dǎo)電陶瓷選自氧化鋁、氧化鋯或氧化鈰。
[0031] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電多孔支撐體的制備方法包含：
[0032] BI)將成型的復(fù)合材料經(jīng)燒結(jié)，得到導(dǎo)電多孔支撐體，所述復(fù)合材料為鈣鈦礦型導(dǎo) 電陶瓷與碳材料的復(fù)合材料，所述碳材料選自碳?xì)只蚴珰郑?br>[0033] 或者
[0034] B2)將成型的復(fù)合材料燒結(jié)后經(jīng)過還原反應(yīng)，得到導(dǎo)電多孔支撐體，所述復(fù)合材料 為金屬氧化物粉末、陶瓷粉末與碳材料的復(fù)合材料，所述碳材料選自碳?xì)只蚴珰帧?br>[0035] 優(yōu)選的，所述碳材料與所述導(dǎo)電陶瓷的質(zhì)量比為1:10~10:1。
[0036] 優(yōu)選的，所述鈣鈦礦型導(dǎo)電陶瓷為La1 xSrxC〇1 yFey03、La1 zSrzMn03或 Ba1 nSrnC〇1 nFen03,其中，所述 0 < x 彡 0· 6,0 < y 彡 0· 6,0 彡 z 彡 0· 6,0· 2 彡 m 彡 0· 8,0 < n ^ 0. 4〇
[0037] 優(yōu)選的，所述金屬氧化物為Ni的氧化物、Cu的氧化物或Fe的氧化物；所述陶瓷粉 末為氧化鋁、氧化鋯、氧化鈰、摻雜氧化鋁基陶瓷、摻雜氧化鋯基陶瓷、摻雜氧化鈰基陶瓷、 碳化娃、氧化鈦或碳化鈦。
[0038] 優(yōu)選的，步驟Al)中所述燒結(jié)的溫度為900~1200°C，燒結(jié)的時(shí)間為0. 5~6小 時(shí)；步驟A2)中所述燒結(jié)的溫度為900~1500°C，燒結(jié)的時(shí)間為0. 5~6小時(shí)。
[0039] 優(yōu)選的，步驟BI)中所述燒結(jié)溫度為300~1200°C，燒結(jié)時(shí)間為0. 5~10小時(shí)； 步驟B2)中所述燒結(jié)的溫度為900~1400°C，燒結(jié)的時(shí)間為0. 5~10小時(shí)。
[0040] 優(yōu)選的，所述涂覆的方法為浸漬、噴涂或絲網(wǎng)印刷。
[0041 ] 優(yōu)選的，所述焙燒的溫度為280~370 °C，所述焙燒的時(shí)間為5~200分鐘。
[0042] 本發(fā)明還提供了一種金屬空氣電池，包括：金屬陽極、電解液和空氣陰極，所述空 氣陰極包括與所述電解液接觸的催化劑層、復(fù)合于所述催化劑層的上述氣體擴(kuò)散層以及復(fù) 合于所述氣體擴(kuò)散層的集流層。
[0043] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種氣體擴(kuò)散層，包括：導(dǎo)電多孔支撐體和疏水 層，所述疏水層包覆于所述導(dǎo)電多孔支撐體表面及所述導(dǎo)電多孔支撐體的孔道內(nèi)壁，所述 導(dǎo)電多孔支撐體的材料選自導(dǎo)電陶瓷。本發(fā)明以導(dǎo)電陶瓷作為氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電多孔支撐 體材料，具有較高的導(dǎo)電性以及較高的抗彎強(qiáng)度，以上述導(dǎo)電多孔支撐體材料得到的氣體 擴(kuò)散層可用于制備高性能的金屬空氣電池。
[0044] 結(jié)果表明，本發(fā)明提供的氣體擴(kuò)散層中的多孔支撐體的電導(dǎo)率為7~1350S/cm， 孔隙率為24 %~44%，抗彎強(qiáng)度為75~280MPa。
【附圖說明】
[0045] 圖1為實(shí)施例1制備得到的導(dǎo)電多孔支撐體的掃描電鏡圖；
[0046] 圖2為實(shí)施例1制備得到的鎂-空氣電池的性能圖；
[0047] 圖3為實(shí)施例2制備得到的金屬-陶瓷導(dǎo)電多孔支撐體的掃描電鏡圖；
[0048] 圖4為實(shí)施例2制備得到的鎂-空氣電池的性能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 金屬空氣電池為一種燃料電池，包括：金屬陽極、電解液和空氣陰極，所述空氣陰 極包括與所述電解液接觸的催化劑層、為催化劑層提供氧氣的氣體擴(kuò)散層以及集流層。
[0050] 本發(fā)明提供了一種氣體擴(kuò)散層，包括：
[0051] 導(dǎo)電多孔支撐體和疏水層，所述疏水層包覆于所述導(dǎo)電多孔支撐體表面及所述導(dǎo) 電多孔支撐體的孔道內(nèi)壁，所述導(dǎo)電多孔支撐體的材料選自導(dǎo)電陶瓷。
[0052] 在本發(fā)明中，所述氣體擴(kuò)散層包括導(dǎo)電多孔支撐體，所述導(dǎo)電多孔支撐體的材料 選自導(dǎo)電陶瓷，優(yōu)選的，所述導(dǎo)電陶瓷選自鈣鈦礦型導(dǎo)電陶瓷和金屬基導(dǎo)電陶瓷中的一種 或多種。
[0053] 其中，所述鈣鈦礦型導(dǎo)電陶瓷優(yōu)選為La1 xSrxC〇1 yFey03、La1 zSrzMn03或 Ba1 JrniCo1 nFen03,所述 La1 xSrxC〇1 yFey03中的 0 < x 彡 0· 6,優(yōu)選為 0· 1 彡 x 彡 0· 5 ;0 < y彡〇· 6,優(yōu)選為0· 1彡X彡0· 5 !La1 zSrzMn03中的0彡z彡0· 6,優(yōu)選為0· 1彡z彡0· 5 ; Ba1 JrniCo1 nFen03中的 0· 2 彡 m 彡 0· 8,優(yōu)選為 0· 3 彡 m 彡 0· 7 ;0 < r!彡 0· 4,優(yōu)選為 0 < η < 0· 4。所述導(dǎo)電陶瓷更優(yōu)選為 Laa75Sra25Mn03、Laa5Sr Q.5Co03、Baa7S:rQ. 3CoQ.sFeQ.203或 La0.6Sr〇. 4C〇0.8Fe〇. 2〇3 ο
[0054] 本發(fā)明提供的導(dǎo)電多孔支撐體材料還可以為金屬基導(dǎo)電陶瓷，所述金屬基導(dǎo)電陶 瓷為Ni基導(dǎo)電陶瓷、Cu基導(dǎo)電陶瓷或Fe基導(dǎo)電陶瓷。所述Ni基導(dǎo)電陶瓷優(yōu)選為N