本發(fā)明涉及金屬燃料電池領域，具體地，涉及無碳空氣電極，以及制備無碳空氣電極的方法。

背景技術：

現(xiàn)有的空氣電極的制備工藝，都是將催化膜，防水膜單獨壓制好之后與導電集流體壓合成空氣電極，催化劑制備、催化膜及防水膜的壓制工藝繁瑣，產量低，制備出的空氣電極一致性差；導電碳的使用導致空氣電極使用過程中存在嚴重的碳化問題，影響空氣電極的使用壽命。

由此，現(xiàn)有的空氣電極有待改進。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種無碳空氣電極，該電極的解決了碳化問題，使用壽命長。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種無碳空氣電極。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該無碳空氣電極包括：泡沫金屬層；催化層，所述催化層覆蓋在所述泡沫金屬層的至少部分表面上；以及防水層，所述防水層覆蓋在所述催化層和所述泡沫金屬層的表面上，且所述防水層具有透氣孔道。

根據(jù)本發(fā)明實施例的無碳空氣電極，避免了現(xiàn)有空氣電極的催化層中含碳的問題，解決了空氣電極的碳化問題，延長了使用壽命，提高了放電效果；該催化層與集流體緊密結合，降低空氣電極的極化。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的無碳空氣電極還可以具有如下附加的技術特征：

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述催化層是由鈷酸鎳納米粒構成的。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述泡沫金屬層為選自銅、鎳、鎳鉻鐵合金、鋅銅合金、鎳銅合金、鎳鉻鎢合金和鎳鐵合金的至少一種構成的。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述催化層與所述泡沫金屬層的質量比為0.1-10：100。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種制備前述空氣電極的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法包括：在泡沫金屬的至少部分表面形成催化層；將表面形成所述催化層的泡沫金屬與防水透氣膜進行壓合處理，在所述催化層和所述泡沫金屬的表面上形成防水層，以便得到空氣電極中間體；以及將所述空氣電極中間體進行焙燒處理，以便得到空氣電極。

根據(jù)本發(fā)明實施例的方法，制備得到的空氣電極不含碳，避免了現(xiàn)有空氣電極的催化層中含碳的問題，解決了空氣電極的碳化問題，延長了使用壽命，提高了放電效果。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的制備前述空氣電極的方法還可以具有如下附加的技術特征：

根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用水熱合成法在所述泡沫金屬的至少部分表面形成所述催化層。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，在所述泡沫金屬的至少部分表面形成所述催化層的步驟包括：

配置水熱反應液；將泡沫金屬進行清潔處理，以便得到清潔后的泡沫金屬；以及將所述水熱反應液和所述清潔后的泡沫金屬置于水熱反應釜中進行水熱反應，以便在所述泡沫金屬的至少部分表面形成所述催化層。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述水熱反應液含有硝酸鈷、硝酸鎳、尿素、乙醇和分散劑。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述硝酸鈷的濃度為5-20g/L，所述硝酸鎳的濃度為30-60g/L。所述尿素的濃度為5-20g/L，所述乙醇的濃度為5-10g/L，所述分散劑的濃度為1-10g/L。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述水熱反應的反應溫度為90-300℃，反應時間為2-24小時。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述壓合處理的壓力為10-20MPa，保壓時間為0.5-5分鐘。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述焙燒處理的溫度為200-350℃，時間為1-4小時。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的無碳空氣電極的結構示意圖；

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備空氣電極的方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

需要說明的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。進一步地，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種無碳空氣電極。參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的實施例，對該無碳空氣電極進行解釋說明。該無碳空氣電極包括：泡沫金屬層2、催化層3和防水層1。下面逐一對該無碳空氣電極的各組成部分進行解釋說明，具體如下：

泡沫金屬層2：根據(jù)本發(fā)明的實施例，泡沫金屬層作為集流體導出電流。由于泡沫金屬具有密度小，比表面積大，導電性能良好的優(yōu)點，由此，集流體的性能更佳。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，泡沫金屬層2為選自銅、鎳、鎳鉻鐵合金、鋅銅合金、鎳銅合金、鎳鉻鎢合金和鎳鐵合金的至少一種構成的。上述泡沫金屬的比表面積大，而比表面積很大的泡沫金屬一方面能夠為銀粒子催化劑提供足夠的附著面使得銀粒子能夠均勻低沉積在泡沫金屬的表面，獲得更好的催化活性，另一方面能夠將放電產生的電流傳輸出去。

催化層3：根據(jù)本發(fā)明的實施例，催化層3覆蓋在泡沫金屬層2的至少部分表面上，利用催化層降低空氣電極氧化還原的化學極化。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，催化層3與泡沫金屬層2的質量比為0.1-10：100。由此，催化層均勻分布在泡沫金屬表面，催化反應產生的電流通過泡沫金屬傳導。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，催化層是由鈷酸鎳納米粒構成的。由此，催化顆粒分布均勻，比表面積大，催化活性好，與泡沫金屬結合緊密，電子傳導速度快，耐腐蝕性強。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，鈷酸鎳納米粒的粒徑越小，比表面積越大，催化活性越好。但如果鈷酸鎳納米粒的粒徑過小，其制備工藝難度大，成本高，當鈷酸鎳納米粒的粒徑為100-1000nm時，制備工藝相對簡單，并且比表面積大，催化活性好，空氣電極的電導率大，經濟效益高。

防水層1：根據(jù)本發(fā)明的實施例，防水層1覆蓋在催化層2和泡沫金屬層2的表面上，且防水層1具有透氣孔道4，使空氣經透氣孔道4進入電解液，并防止電池中的電解液滲漏出來。

根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，透氣孔道4的直徑為5-30nm。由此，空氣可以從該孔道進入電解液，而水的粒徑較大，無法經透氣孔道滲漏出來。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種制備前述空氣電極的方法。參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的實施例，對制備前述空氣電極的方法進行解釋說明，該方法包括：

S100形成催化層

根據(jù)本發(fā)明的實施例，在泡沫金屬的至少部分表面形成催化層。無需將催化層單獨壓制好后，再包覆在泡沫金屬的表面，直接通過一步法在泡沫金屬表面形成催化層，步驟簡單，易于工業(yè)化生產。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用水熱合成法在泡沫金屬的至少部分表面形成催化層。由此，采用水熱合成法將催化劑直接生長在泡沫金屬的基體上，無需將催化層單獨壓制好后，再包覆在泡沫金屬的表面，步驟簡單，易于工業(yè)化生產，并且產品的一致性好，并且，在表面形成的催化劑顆粒的粒度細小、比表面積大，催化活性高。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，在泡沫金屬的至少部分表面形成催化層的步驟包括：配置水熱反應液；將泡沫金屬進行清潔處理，去除泡沫金屬表面的污垢和油脂，得到清潔后的泡沫金屬；再將水熱反應液和清潔后的泡沫金屬置于水熱反應釜中進行水熱反應，在泡沫金屬的至少部分表面形成催化層。由此，利用水熱合成法一步即可將催化劑直接生長在泡沫金屬的基體上，步驟簡單，易于工業(yè)化生產，并且產品的一致性好，并且，在表面形成的催化劑顆粒的粒度細小、比表面積大，催化活性高。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，水熱反應液含有硝酸鈷、硝酸鎳、尿素、乙醇和分散劑。由此，利用該水熱反應液進行水熱反應，可以在泡沫金屬的表面形成鈷酸鎳催化層，并且該水熱反應液為無氰水熱反應液，水熱反應液安全無污染，成本低、得到的催化層與基體結合緊密，致密性好、催化活性高。

根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，該水熱反應液中硝酸鈷的濃度為5-20g/L，硝酸鎳的濃度為30-60g/L，尿素的濃度為5-20g/L，乙醇的濃度為5-10g/L，分散劑的濃度為1-10g/L。由此，催化層厚度均勻，形成的鈷酸鎳納米粒的粒徑小，比表面積大、致密性好、催化活性高。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，水熱反應的反應溫度為90-300℃，反應時間為2-24小時。由此，反應生產的催化劑形貌生長完整，結晶形態(tài)好。

S200焙燒處理

根據(jù)本發(fā)明的實施例，將表面形成催化層的泡沫金屬進行焙燒處理，由此，催化層能夠與泡沫金屬結合緊密，不易脫落。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，焙燒處理的溫度為200-350℃，時間為1-4小時。由此，催化層固化效果好。

S300形成空氣電極

根據(jù)本發(fā)明的實施例，將電極中間體與防水透氣膜進行壓合處理，在催化層和泡沫金屬的表面上形成防水層，得到空氣電極。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，壓合處理的壓力為10-20MPa，保壓時間為0.5-5min。由此，防水透氣膜緊密地貼合在泡沫金屬的表面上，空氣電極表面的防水透氣層可以有效防止電池中的電解液滲漏同時能夠允許空氣通過。

下面參考具體實施例，對本發(fā)明進行說明，需要說明的是，這些實施例僅僅是說明性的，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

實施例1

利用本發(fā)明實施例的方法制備空氣電極，具體步驟如下：

(1)配制成分如下的水熱反應液：硝酸鈷15g/L，硝酸鎳40g/L，尿素10g/L，乙醇8g/L，分散劑5g/L。

(2)將泡沫金屬經過酒精除油后超聲清洗干凈，得到干凈的泡沫金屬。

(3)將干凈的泡沫金屬加入水熱反應釜中，然后將干凈的泡沫金屬浸入到水熱反應液中，泡沫金屬上部露出液面。

(4)將水熱反應釜密封并加熱，進行水熱反應，反應溫度為200℃，反應時間5h。

(5)反應完成后將反應釜冷卻至室溫后開啟并將泡沫金屬取出，清水沖洗后放入爐中進行焙燒，焙燒溫度200-350℃，焙燒時間1-4h。

(6)焙燒后的泡沫金屬取出并與防水透氣膜進行壓合，壓力10-20MPa，保壓0.5-5min后，得到空氣電極。

(7)對空氣電極進行放電測試，放電電流密度達到300mA/cm²，使用壽命達到3000h以上。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。