專利名稱：一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣電極，特別涉及用于金屬空氣電池的空氣電極。
背景技術(shù)：
近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，必然引起石油資源的枯竭，全球變暖和環(huán)境污染的加劇。新能源，環(huán)境技術(shù)及節(jié)能減排技術(shù)的綜合高效開發(fā)和利用己成為十分必要的課題，研究與開發(fā)高能量密度的電源體系和材料勢在必行，研發(fā)容量更高的、環(huán)保友好的、可持續(xù)的新一代電池體系成為世界各國的科學(xué)家的共同追求。金屬空氣電池，如鋰空氣電池、鋅空氣電池，由于具有很高的比能量，而且安全、無污染的，近年來，弓I起越來越多研究者的關(guān)注。由于金屬空氣電池存在充放電過電壓，使得電池在充放電過程存在很大的能量損失，大大降低了電池可充電性，從而降低了電池的充放電循環(huán)效率和循環(huán)性能。因此如何加快空氣電極充放電過程的氧氣還原反應(yīng)，提高充放電循環(huán)效率和循環(huán)性能成為研究的關(guān)鍵。目前多采用二氧化錳等作為空氣電極的催化劑，但其電流密度較低，為了提高其電流密度，有從改進工藝或制備方法上著手，如使用溶膠凝肢制備二氧化錳催化劑，這種方法稍微提高了二氧化錳的催化性能，但其工藝制備方法復(fù)雜，制備成本較高；另一種方法是在二氧化錳中添加輔助物質(zhì)，如Co、Li或稀土元素，其電流密度較傳統(tǒng)的用二氧化錳作為催化劑的空氣電極的電流密度略有提升，但仍然偏低，且催化劑價格較貴，使電池成本較高。因此，需要研發(fā)新型高效的空氣電極，以提高金屬空氣電池的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有的使用貴金屬催化劑和使用以二氧化錳主要催化劑的金屬空氣電池的空氣電極電流密度偏低、價格較高、生產(chǎn)成本低等缺陷而提供一種空氣電極，該空氣電極使用的催化劑制備簡單、價格較低且使用該催化劑使得空氣電極的電流密度得到較好的提高。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，由催化層、擴散層與電流收集層壓制成型，催化層中的催化劑為TiO2/石墨烯催化劑。所述TiO2/石墨烯催化劑由以下方法制得:用體積濃度為10%的稀硝酸處理石墨烯，過濾，蒸餾水多次洗滌，烘干，研磨，過目，與質(zhì)量比為石墨烯I 10倍的TiCl4溶液在(TC 10°c進行水解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在300°C 900°C下煅燒，冷卻至室溫后研磨得TiO2/石墨烯催化劑。所述催化層包括重量百分比為5 50%的催化劑，30 80%的碳材料，O 10%的聚乙二醇，5 10%的無水乙醇以及5 25%的聚四氟乙烯；所述擴散層包括重量百分比為20 60%的碳材料，5 30%的造孔劑，5 10%的無水乙醇以及10 60%的聚四氟乙烯。所述碳材料為重量比為5:1的活性炭和乙炔黑。
所述造孔劑為聚乙二醇。所述催化層、擴散層與電流收集層在15 35Mpa下壓制成型。所述電流收集層為導(dǎo)電銅網(wǎng)。所述石墨烯的制備:在0°C冰浴下，按每0.015 0.12g石墨粉分散到20 25ml濃硫酸中，攪拌下加入KMnO4,所加KMnO4的質(zhì)量是石墨粉的3 4倍，攪拌30-60分鐘，溫度上升到30 35°C左右，加入46ml去離子水，攪拌20 30分鐘，加入IOml質(zhì)量濃度30%的H2O2，攪拌5 10分鐘，經(jīng)過離心分離，用質(zhì)量濃度5%HC1溶液、去離子水和丙酮反復(fù)洗滌后得到氧化石墨烯。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:1、本發(fā)明的TiO2/石墨烯催化劑是由廉價的TiCl4 一步水蒸氣水解反應(yīng)制備而得的粉狀催化劑，與一般的制備納米TiO2方法不同的是TiCl4被石墨烯均勻吸附水解的同時實現(xiàn)了 TiO2的均勻負(fù)載分布，免去了傳統(tǒng)的先制備TiO2溶膠或納米顆粒后再負(fù)載的繁瑣過程。實現(xiàn)了催化劑制備的操作簡單和電極生產(chǎn)成本的降低。2、本發(fā)明的TiO2/石墨烯催化劑在300°C 900°C下煅燒而得，有效的防止了 TiO2粒子的團聚，保證了催化劑的催化活性。3、本發(fā)明的采用TiO2/石墨烯催化劑的空氣電極的放電電流密度較傳統(tǒng)使用MnO2催化劑的空氣電極的放電電流密度有較大的提高。4、由于石墨烯納米片具有極高的比表面積、超強的力學(xué)性能、優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱等特點，有利于電化學(xué)電極反應(yīng)和催化反應(yīng)過程中的電子傳遞和電極的穩(wěn)定性，增強復(fù)合材料的電化學(xué)性能。
具體實施例方式實施例中，TiCl4為分析純，體積分別為6ml、14ml、18ml、22ml通過換算可知其對應(yīng)的質(zhì)量為 10.36g、24.16g、31.07g、37.97g。實施例1用體積濃度為10%的稀硝酸處理IOg石墨烯，過濾，蒸餾水多次洗滌，80°C烘干，研磨，過目(400目篩)，制得處理后的石墨烯，降溫至10°C以下；移取(TC 10°C的打(:14溶液6ml慢慢注入處理后的石墨烯中，不斷攪拌，直至無白色酸霧逸出，水解完成，反應(yīng)產(chǎn)物在500°C下煅燒，冷卻至室溫后研磨得所述TiO2/石墨烯催化劑。取重量百分比為5%的上述催化劑，60%的碳材料(活性炭和乙炔黑，重量比為5:1),8%的聚乙二醇，7%的無水乙醇以及20%的聚四氟乙烯混合碾壓制成催化層；取重量百分比為20%的碳材料(活性炭和乙炔黑，重量比為5:1),30%的造孔劑(聚乙二醇)，10%的無水乙醇以及40%的聚四氟乙烯混合碾壓制成擴散層，催化層、導(dǎo)電銅網(wǎng)和擴散層在25Mpa下壓制成型，制得TiO2/石墨烯催化劑。實施例2用體積濃度為10%的稀硝酸處理Sg石墨烯，過濾，蒸餾水多次洗滌，80°C烘干，研磨，過目(400目篩)，制得處理后的石墨烯，降溫至10°C以下；移取(TC 10°C的11(:14溶液14ml慢慢注入處理后的石墨烯中，不斷攪拌，直至無白色酸霧逸出，水解完成，反應(yīng)產(chǎn)物在800°C下煅燒，冷卻至室溫后研磨得所述TiO2/石墨烯催化劑。取重量百分比為50%的上述催化劑，30%的碳材料(活性炭和乙炔黑，重量比為5:1)，5%的聚乙二醇，5%的無水乙醇以及10%的聚四氟乙烯混合碾壓制成催化層；取重量百分比為50%的碳材料(活性炭和乙炔黑，重量比為5:1)，20%的造孔劑(聚乙二醇)，10%的無水乙醇以及20%的聚四氟乙烯混合碾壓制成擴散層，催化層、集流體(導(dǎo)電銅網(wǎng))和擴散層在15Mpa下壓制成型，制得1102/石墨烯催化劑。實施例3用體積濃度為10%的稀硝酸處理12g石墨烯，過濾，蒸餾水多次洗滌，80°C烘干，研磨，過目(400目篩)，制得處理后的石墨烯，降溫至10°C以下；移取(TC 10°C的打(:14溶液18ml慢慢注入處理后的石墨烯中，不斷攪拌，直至無白色酸霧逸出，水解完成，反應(yīng)產(chǎn)物在700°C下煅燒，冷卻至室溫后研磨得所述TiO2/石墨烯催化劑。取重量百分比為30%的上述催化劑，50%的碳材料(活性炭和乙炔黑，重量比為5:1)，2%的聚乙二醇，5%的無水乙醇以及13%的聚四氟乙烯混合碾壓制成催化層；取重量百分比為40%的碳材料(活性炭和乙炔黑，重量比為5:1)，20%的造孔劑(聚乙二醇)，5%的無水乙醇以及35%的聚四氟乙烯混合碾壓制成擴散層，催化層、集流體(導(dǎo)電銅網(wǎng))和擴散層在20Mpa下壓制成型，制得TiO2/石墨烯催化劑。實施例4用體積濃度為10%的稀硝酸處理12g石墨烯，過濾，蒸餾水多次洗滌，80°C烘干，研磨，過目(400目篩)，制得處理后的石墨烯，降溫至10°C以下；移取(TC 10°C的打(:14溶液22ml慢慢注入處理后的石墨烯中，不斷攪拌，直至無白色酸霧逸出，水解完成，反應(yīng)產(chǎn)物在900°C下煅燒，冷卻至室溫后研磨得所述TiO2/石墨烯催化劑。取重量百分比為20%的上述催化劑，40%的碳材料(活性炭和乙炔黑，重量比為5:1)，10%的聚乙二醇，10%的無水乙醇以及20%的聚四氟乙烯混合碾壓制成催化層；取重量百分比為35%的碳材料(活性炭和乙炔黑，重量比為5:1),25%的造孔劑(聚乙二醇)，8%的無水乙醇以及32%的聚四氟乙烯混合碾壓制成擴散層，催化層、集流體(導(dǎo)電銅網(wǎng))和擴散層在35Mpa下壓制成型，制得TiO2/石墨烯催化劑。
權(quán)利要求
1.一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，由催化層、擴散層與電流收集層壓制成型，其特征在于，所述催化層中的催化劑為TiO2/石墨烯催化劑。
2.如權(quán)利要求1所述一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，其特征在于，所述TiO2/石墨烯催化劑由以下方法制得:用體積濃度為10%的稀硝酸處理石墨烯，過濾，蒸餾水多次洗滌，烘干，研磨，過目，與質(zhì)量比為石墨烯I 10倍的TiCl4溶液在0°C 10°C進行水解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在300°C 900°C下煅燒，冷卻至室溫后研磨得TiO2/石墨烯催化劑。
3.如權(quán)利要求1或2所述一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，其特征在于，所述催化層包括重量百分比為5 50%的催化劑，30 80%的碳材料，O 10%的聚乙二醇，5 10%的無水乙醇以及5 25%的聚四氟乙烯；所述擴散層包括重量百分比為20 60%的碳材料，5 30%的造孔劑，5 10%的無水乙醇以及10 60%的聚四氟乙烯。
4.如權(quán)利要求3所述一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，其特征在于，所述碳材料為重量比為5:1的活性炭和乙炔黑。
5.如權(quán)利要求4所述一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，其特征在于，所述造孔劑為聚乙二醇。
6.如權(quán)利要求3所述一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，其特征在于，所述催化層、擴散層與電流收集層在15 35Mpa下壓制成型。
7.如權(quán)利要求6所述一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，其特征在于，所述電流收集層為導(dǎo)電銅網(wǎng)。
8.如權(quán)利要求1所述一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極，其特征在于，所述石墨烯的制備:在(TC冰浴下，按每0.015 0.12g石墨粉分散到20 25ml濃硫酸中，攪拌下加入KMnO4,所加KMnO4的質(zhì)量是石墨粉的3 4倍，攪拌30-60分鐘，溫度上升到30 35°C左右，加入46ml去離子水，攪拌20 30分鐘，加入IOml質(zhì)量濃度30%的H2O2,攪拌5 10分鐘，經(jīng)過離心分離，用質(zhì)量濃度5%HC1溶液、去離子水和丙酮反復(fù)洗滌后得到氧化石墨烯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于金屬空氣電池的新型空氣電極?？諝怆姌O由催化層、擴散層與電流收集層壓制而成；催化層中的催化劑為TiO2/石墨烯，它由以下方法制得石墨烯經(jīng)體積濃度為10%的稀硝酸處理后，過濾、蒸餾水多次洗滌、烘干，然后與質(zhì)量比為石墨烯1～10倍的四氯化鈦溶液在0℃～10℃進行水解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在300℃～900℃下煅燒，冷卻至室溫后研磨即得。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的空氣電極使用的催化劑制備簡單、價格低廉，且使用該催化劑使得空氣電極的電流密度得到較好的提高。
文檔編號H01M4/86GK103151532SQ20131006629
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者銀鳳翔, 李國儒, 陳標(biāo)華 申請人:北京化工大學(xué)常州先進材料研究院