專利名稱：鋅空氣電池空氣電極的催化劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明電化學(xué)領(lǐng)域鋅空氣電池空氣電極的催化劑。
鋅空氣電池從問世到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年的歷史。它是以金屬鋅為負(fù)極活性物質(zhì)，空氣中的氧氣為正極活性物質(zhì)。兩活性物質(zhì)在空氣電極與電解液的界面處被空氣電極的催化層所催化發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能。只要鋅電極沒有被消耗完，氧氣就可以通過空氣擴(kuò)散電極源源不斷地到達(dá)電化學(xué)反應(yīng)界面與鋅反應(yīng)而不斷地產(chǎn)生電能。這種電池具有比能量高、成本低、放電性能平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，有著巨大的市場前景。然而，鋅空氣電池的放電電流密度偏低，不能適用較大功率放電的家用電子電器的使用需要，從而限制了它的市場和應(yīng)用范圍。采取提高空氣電極空氣擴(kuò)散總面積的方法可以在一定程度上增大放電電流，但是同時卻會加劇鋅空氣電池的漏液爬堿難題。如果提高反應(yīng)過程中催化劑的催化活性，就可以加速空氣中的氧氣被吸附進(jìn)入電池的內(nèi)部，提高氧氣在反應(yīng)界面處的反應(yīng)速率，從而增大電池的放電電流。傳統(tǒng)采用的活性碳、電解等催化劑的催化活性較低，使氧氣在電化學(xué)界面上的反應(yīng)速度較慢，從而限制了電池的放電電流密度。后來有人采用貴金屬代替活性炭或MnO2作催化材料來提高對空氣電極的催化活性，但是貴金屬的價格昂貴，而且以其作為催化劑電池的電流密度仍滿足不了家用電子電器的使用要求，因而也不能使其大規(guī)模地被應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于提供一種原材料價格低廉、催化活性高的鋅空氣電池空氣電極的催化劑，以提高鋅空氣電池的放電電流密度。
本發(fā)明的鋅空氣電池空氣電極的催化劑是在電解MnO2中摻入Li、Co等金屬元素，用溶膠凝膠法合成具有尖晶石型晶型結(jié)構(gòu)的金屬復(fù)合氧化物催化劑。
電解MnO2早就被用來作為鋅空氣電池的催化材料。其價格低廉，但是其催化活性低，不能滿足電池大電流放電的需要。本發(fā)明在MnO2中引入少量的Li和Co等元素，通過溶膠凝膠的工藝方法合成出價格低廉、催化活性高的鋅空氣電池新型催化材料。
本發(fā)明的鋅空氣電池空氣電極的催化劑通過下列方法獲得先把電解MnO2轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，再按式LiMn2-xCoxO4中X=0、0.01、0.05、0.10、0.20、0.50等配比的Li、Mn和Co硝酸鹽與檸檬酸混合均勻得到透明的溶液，通過緩慢加入氨水來調(diào)節(jié)其PH值至7.5-8.5，將其置于70-90℃水浴中加熱脫水形成透明的溶膠，再在130-160℃下干燥15-20小時脫水得到透明的凝膠，然后將所得的凝膠預(yù)聚物分別加熱到目標(biāo)溫度(300、380、460、540℃)后保溫5-7小時，然后隨爐冷卻至室溫。
合成的粉末狀催化劑采用西門子公司生產(chǎn)的D500型X射線衍射儀進(jìn)行XRD測試，CuKa作為X射線源，石墨作為過濾器，呈步進(jìn)掃描，步長為0.03度，掃描速度為2℃/MIN，每5秒取一個樣。其XRD圖譜如附

圖1所示，顯示出該材料具有完美的尖晶石型晶型結(jié)構(gòu)。
采用20％的聚四氟乙烯(PTFE)作粘接劑碾壓成厚度約為0.1mm的催化膜，與透氣膜和導(dǎo)電鎳網(wǎng)疊加，做成面積約1cm2左右的電極，用穩(wěn)態(tài)恒電流進(jìn)行極化測試，通過比較相同極化電位下的電流密度大小來考察催化材料的催化活性。保持相同的工藝條件，在不同配比的六種催化劑中，式中的X=0.05-0.1時，催化劑的催化活性最好。保持相同的材料配方，考察在不同燒結(jié)溫度下所得催化劑的催化活性以440-500℃，發(fā)現(xiàn)為最好。用本發(fā)明合成的催化材料作催化劑的鋅空氣電池的最佳放電電流密度可達(dá)150mA.cm-2以上，比以電解MnO2為催化劑的鋅空氣電池的放電電流密度(約為30 mA.cm-2)有了大幅度的提高，已能滿足常規(guī)的家用電子電器設(shè)備對放電電流的要求。
圖1是本發(fā)明所合成催化劑的X射線衍射譜圖；圖2、圖3、圖4是本發(fā)明催化劑電流的極化曲線圖。衍射譜圖。
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1先把電解MnO2轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，再按摩爾比為1∶1.99∶0.01配比的Li、Mn、Co的硝酸鹽與檸檬酸混合均勻得到透明的溶液，通過緩慢加入氨水來調(diào)節(jié)其PH值至7.5-8.5，將其置于70-90℃水浴中加熱脫水形成透明的溶膠，再在130-160℃下干燥15-20小時脫水得到透明的凝膠，然后將所得凝膠預(yù)聚物放入馬沸爐中加熱，在空氣氣氛中加熱到目標(biāo)溫度300℃后保溫5-7小時，然后隨爐冷卻至室溫。
采用20％PTFE作粘接劑碾壓成厚度約為0.1mm的催化膜，與透氣膜和導(dǎo)電鎳網(wǎng)疊加，做成面積約1cm2左右的電極，用穩(wěn)態(tài)恒電流進(jìn)行極化測試，通過比較相同極化電位下的電流密度大小來考察催化材料的催化活性。其測試結(jié)果如附圖2所示，在1.0V的極化電位下電流密度約為60mA.cm-2。
實(shí)施例2先把電解MnO2轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，再按摩爾比為1∶1.99∶0.01配比的Li、Mn、Co的硝酸鹽與檸檬酸混合均勻得到透明的溶液，通過緩慢加入氨水來調(diào)節(jié)其PH值至7.5-8.5，將其置于70-90℃水浴中加熱脫水形成透明溶膠，再在130-160℃下干燥15-20小時脫水得到透明凝膠，然后將所得凝膠預(yù)聚物放入馬沸爐中加熱，在空氣氣氛中分別加熱到目標(biāo)溫度460℃后保溫5-7小時，然后隨爐冷卻至室溫。
采用20％PTFE作粘接劑碾壓成厚度約為0.1mm的催化膜，與透氣膜和導(dǎo)電鎳網(wǎng)疊加，做成面積約1cm2左右的電極，用穩(wěn)態(tài)恒電流進(jìn)行極化測試，通過比較相同極化電位下的電流密度大小來考察催化材料的催化活性。其測試結(jié)果如附圖3所示，在1.0V的極化電位下電流密度約為90mA.cm-2。
實(shí)施例3先把電解MnO2轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，再按摩爾比為1∶1.95∶0.05配比的Li、Mn、Co的硝酸鹽與檸檬酸混合均勻得到透明的溶液，通過緩慢加入氨水來調(diào)節(jié)其PH值至7.5-8.5，將其置于70-90℃水浴中加熱脫水形成透明溶膠，再在130-160℃下干燥15-20小時脫水得到透明凝膠，然后將所得的凝膠預(yù)聚物放入馬沸爐中加熱，在空氣氣氛中分別加熱到目標(biāo)溫度460℃后保溫5-7小時，然后隨爐冷卻至室溫。
采用20％的PTFE作粘接劑碾壓成厚度約為0.1mm的催化膜，與透氣膜和導(dǎo)電鎳網(wǎng)疊加，做成面積約1cm2左右的電極，用穩(wěn)態(tài)恒電流進(jìn)行極化測試，通過比較相同極化電位下的電流密度大小來考察催化材料的催化活性。其測試結(jié)果如附圖4所示，在1.0V的極化電位下電流密度約為150mA.cm-2。
權(quán)利要求
1.一種鋅空氣電池空氣電極的催化劑，其特征在于在電解MnO2中摻入Li、Co等金屬元素，用溶膠凝膠法合成具有尖晶石型晶型結(jié)構(gòu)的金屬復(fù)合氧化物催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅空氣電池空氣電極的催化劑，其特征在于可通過下列方法獲得先把電解MnO2轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，再按式LiMn2-xCoxO4中X=0、0.01、0.05、0.10、0.20、0.50等配比的Li、Mn和Co硝酸鹽與檸檬酸混合均勻得到透明的溶液，通過緩慢加入氨水來調(diào)節(jié)其PH值至7.5-8.5，將其置于70-90℃水浴中加熱脫水形成透明的溶膠，再在130-160℃下干燥15-20小時脫水得到透明的凝膠，然后將所得的凝膠預(yù)聚物分別加熱到目標(biāo)溫度(300、380、460、540℃)后保溫5-7小時，然后隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
一種鋅空氣電池空氣電極的催化劑,是在電解MnO
文檔編號H01M4/86GK1312595SQ01107488
公開日2001年9月12日 申請日期2001年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月21日
發(fā)明者周震濤, 周曉斌 申請人:華南理工大學(xué)