本發(fā)明屬于電化學(xué)儲能和電極制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于鋅空氣液流電池的空氣電極及制備方法。

背景技術(shù)：

當今社會人們對煤、石油、天然氣等化石燃料的使用和依賴性越來越大，這些燃料都是不可再生的能源，而且過度的使用也造成了很多環(huán)境問題，面對這種情況，人們正在努力開發(fā)新的能源以替代這些傳統(tǒng)能量來源，如風(fēng)能，太陽能，潮汐能等，但是這些新能源有很強的地域性，而且這些新能源也具有不穩(wěn)定性，發(fā)電也不連續(xù)的特征，在這種情況下就需要使用儲能技術(shù)來解決這些問題。

儲能技術(shù)分為很多種，有物理儲能，化學(xué)儲能，電磁儲能和相變儲能這幾種方法，在化學(xué)儲能中，液流電池由于安全性高、適用范圍廣，適合大規(guī)模儲能，備受關(guān)注。鋅空氣液流電池作為新型的儲能技術(shù)，建立在鋅空氣電池、鋅溴液流電池的基礎(chǔ)上，具有低成本、大容量等特點，具有較大的商業(yè)價值，成為目前研究的熱點。然而空氣電極的發(fā)展滯后，導(dǎo)致電池過電位較高、能量轉(zhuǎn)化效率低、循環(huán)穩(wěn)定性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于鋅空氣液流電池的空氣電極及其制造方法，該空氣電極克服了傳統(tǒng)鋅空氣液流電池空氣電極漏液嚴重、充放電過電位大等問題，具有充放電過電位低，循環(huán)壽命長、成本低、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡單的特點。

本發(fā)明提供的一種用于鋅空氣液流電池的空氣電極，其特征在于，所述空氣電極依次包括氧析出催化層、第一防水透氣層、具有三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)的集流體層、氧還原催化層、第二防水透氣層，氧析出催化層和氧還原催化層分別位于集流體的兩側(cè)，氧析出催化層靠近電解液一側(cè)，且氧析出催化層和集流體之間還包含第一防水透氣層，氧還原催化層在靠近空氣一側(cè)直接與集流體接觸，且通過第二防水透氣層與空氣接觸。

催化劑層主要是由對應(yīng)的催化劑、第一導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成，第一導(dǎo)電劑和對應(yīng)催化劑質(zhì)量比為3-5:1，優(yōu)選為4:1；粘結(jié)劑為nafion，nafion濃度為0.1-5wt.％，優(yōu)選為0.2-3wt.％，更優(yōu)選為0.5wt.％。對應(yīng)的催化劑和粘結(jié)劑nafion質(zhì)量比為5-15:1，優(yōu)選為9:1；

氧析出催化劑可以是貴金屬催化劑、非貴金屬氧化物催化劑或非金屬催化劑。氧析出催化劑的負載量為0.1-1.5mg/cm²，優(yōu)選為0.3-0.9mg/cm²。

氧還原催化劑可以是貴金屬催化劑、非貴金屬氧化物催化劑或非金屬催化劑。氧還原催化劑的負載量為0.1-1.5mg/cm²，優(yōu)選為0.5-1.2mg/cm²。

氧析出催化劑和氧還原催化劑質(zhì)量比為1-3:3，優(yōu)選為2:3。

防水透氣層均是主要由第二導(dǎo)電劑、高分子憎水材料組成，第二導(dǎo)電劑和高分子憎水材料質(zhì)量比為0.5-5:1，優(yōu)選為1-3:1，更優(yōu)選為1:1。高分子憎水材料為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和氟化乙烯丙烯中的一種或兩種以上。

優(yōu)選地，第一導(dǎo)電劑為碳黑、碳納米管、石墨烯中的一種或兩種以上。

其中第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、碳納米管、石墨烯中的一種或兩種以上；優(yōu)選為乙炔黑。

高分子憎水材料為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和氟化乙烯丙烯中的一種或兩種以上；優(yōu)選為聚四氟乙烯。

集流體可以為碳紙、碳布、碳氈、不銹鋼網(wǎng)、金屬網(wǎng)、泡沫金屬等。集流體可以是疏水的也可以是親水的，優(yōu)選疏水的。集流體厚度為0.1-1mm，優(yōu)選為0.3mm。

本發(fā)明提供的一種制造空氣電極的方法，包括以下步驟：

一、氧還原催化層制備過程如下：

(1)稱量所需質(zhì)量的第一導(dǎo)電劑和氧還原催化劑于一個試劑瓶中，加入所需質(zhì)量的粘結(jié)劑，再加入一定量無水乙醇形成墨水溶液；

(2)氧還原催化劑墨水溶液超聲，使分散均勻；

(3)氧還原催化劑墨水溶液磁力攪拌，使混合均勻；

(4)將氧還原催化劑噴涂于集流體相應(yīng)位置；

(5)將噴好氧還原催化劑墨水的集流體放入真空干燥箱，真空干燥，形成氧還原催化層。

二、防水層制備過程如下：

(1)稱量所需質(zhì)量第二導(dǎo)電劑于一個試劑瓶中，加入所需質(zhì)量高分子憎水材料，并加入一定量無水乙醇形成防水層墨水溶液；

(2)溶液先超聲，緊接著，磁力攪拌；

(3)將防水層墨水溶液噴涂于氧還原催化層相應(yīng)位置上，以形成第二防水層；

(4)將同樣份量防水層墨水溶液噴涂于集流體另一面相應(yīng)位置，以形成第一防水層；

(5)將噴好防水層墨水溶液的集流體放入真空干燥箱，真空干燥；

三、氧析出催化層制備過程如下：

(1)稱量所需質(zhì)量的第一導(dǎo)電劑和氧析出催化劑于一個試劑瓶中，加入所需質(zhì)量的粘結(jié)劑，再加入一定量無水乙醇形成墨水溶液；

(2)氧析出催化劑墨水溶液超聲，使分散均勻；

(3)氧析出催化劑墨水溶液磁力攪拌，使混合均勻；

(4)將氧析出催化劑噴涂于集流體另一面第一防水層相應(yīng)位置上；

(5)將噴好氧析出催化劑墨水溶液的集流體放入真空干燥箱，真空干燥，形成氧析出催化層；

四、最后處理

最后將步驟三得到的集流體放入管式爐，氮氣保護下，常溫靜置，再升溫到200-300℃維持20-40min，接著，升溫到350-450℃維持20-40min，使ptfe熔融覆蓋于所在的表面，形成防水透氣層。

本發(fā)明的優(yōu)點

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

1.氧析出催化層和氧還原催化層分別位于集流體兩側(cè)，氧析出催化層靠近電解液一側(cè)，氧還原催化層在靠近空氣一側(cè)直接與集流體接觸。催化劑單獨負載于集流體的兩側(cè)電池性能優(yōu)于氧電極采用混合的催化劑層。

2.本發(fā)明的集流體使用的是疏水碳紙，兩側(cè)都有防水透氣層，這種電極結(jié)構(gòu)不僅為氧氣提供擴散管道，并且保證電解液不會完全浸泡擴散層而導(dǎo)致電解液漏液。

3.該空氣電極充放電過電位較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)催化劑的空氣電極的過電位低。

4.本發(fā)明空氣電極還具有循環(huán)壽命長、成本低、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡單的特點。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例1的空氣電極結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明對比例1的空氣電極結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明對比例2的空氣電極結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例1、對比例1和對比例2的不同氧電極結(jié)構(gòu)排布的電池充放電效率柱形圖；

圖5為圖1-圖3不同結(jié)構(gòu)層的代表含義圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例1的空氣電極結(jié)構(gòu)排布的電池充放電循環(huán)壽命圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。

實施例1

從厚度為0.3mm的疏水碳紙剪取一長3cm寬3cm的小塊作為集流體。

(1)稱量48mg碳黑和12mg鉑于一個試劑瓶中，加入1.333gnafion(0.5％)，再加入3ml無水乙醇形成墨水溶液；墨水溶液超聲30min，使分散均勻；墨水溶液磁力攪拌30min，使混合均勻；將墨水溶液噴涂于集流體a面相應(yīng)位置；將噴好催化劑的集流體放入真空干燥箱，在80℃下真空干燥8h，形成氧還原催化層。

(2)稱量48mg乙炔黑于一個試劑瓶中，加入48mgptfe，并加入5ml乙醇形成墨水溶液；溶液先超聲30min，緊接著，磁力攪拌30min；將墨水溶液噴涂于氧還原催化層相應(yīng)位置。

(3)稱量48mg乙炔黑于一個試劑瓶中，加入48mgptfe，并加入5ml乙醇形成墨水溶液；溶液先超聲30min，緊接著，磁力攪拌30min；將墨水溶液噴涂于集流體另一面b面相應(yīng)位置。

(4)稱量12mg碳黑和8mg二氧化銥于一個試劑瓶中，加入0.444gnafion，再加入3ml無水乙醇形成墨水溶液；墨水溶液超聲30min，使分散均勻；墨水溶液磁力攪拌30min，使混合均勻；將墨水溶液噴涂于集流體b面防水層相應(yīng)位置；將噴好催化劑的集流體放入真空干燥箱，在80℃下真空干燥8h，形成氧析出催化層。

(5)將處理后的集流體放入管式爐，氮氣保護下，常溫靜置20min，再升溫到250℃維持30min，除表面活性劑，接著，升溫到350℃維持30min，使ptfe熔融覆蓋于集流體表面，形成防水透氣層。

對比例1

(1)稱量60mg碳黑、8mg二氧化銥和12mg鉑于一個試劑瓶中，加入1.777gnafion，再加入6ml無水乙醇形成墨水溶液；墨水溶液超聲30min，使分散均勻；墨水溶液磁力攪拌30min，使混合均勻；將墨水溶液噴涂于集流體a面相應(yīng)位置；將噴好催化劑的集流體放入真空干燥箱，在80℃下真空干燥8h，形成催化層。

(2)稱量48mg乙炔黑于一個試劑瓶中，加入48mgptfe，并加入5ml乙醇形成墨水溶液；溶液先超聲30min，緊接著，磁力攪拌30min；將墨水溶液噴涂于集流體另一面b面相應(yīng)位置。

(3)將處理后的集流體放入管式爐，氮氣保護下，常溫靜置20min，再升溫到250℃維持30min，除表面活性劑，接著，升溫到350℃維持30min，使ptfe熔融覆蓋于集流體表面，形成防水透氣層。

對比例2

(1)稱量48mg碳黑和12mg鉑于一個試劑瓶中，加入1.333gnafion，再加入3ml無水乙醇形成墨水溶液；墨水溶液超聲30min，使分散均勻；墨水溶液磁力攪拌30min，使混合均勻；將墨水溶液噴涂于集流體a面相應(yīng)位置；將噴好催化劑的集流體放入真空干燥箱，在80℃下真空干燥8h，形成氧還原催化層。

(2)稱量48mg乙炔黑于一個試劑瓶中，加入48mgptfe，并加入5ml乙醇形成墨水溶液；溶液先超聲30min，緊接著，磁力攪拌30min；將墨水溶液噴涂于氧還原催化層相應(yīng)位置。

(3)稱量12mg碳黑和8mg二氧化銥于一個試劑瓶中，加入0.444gnafion，再加入3ml無水乙醇形成墨水溶液；墨水溶液超聲30min，使分散均勻；墨水溶液磁力攪拌30min，使混合均勻；將墨水溶液噴涂于集流體b相應(yīng)位置；將噴好催化劑的集流體放入真空干燥箱，在80℃下真空干燥8h，形成氧析出催化層。

(4)將處理后的集流體放入管式爐，氮氣保護下，常溫靜置20min，再升溫到250℃維持30min，除表面活性劑，接著，升溫到350℃維持30min，使ptfe熔融覆蓋于集流體表面，形成防水透氣層。