CN113299930B - 含氧化铋催化剂的空气电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含氧化铋催化剂的空气电极及其制备方法；所述催化剂为氧化铋；所述氧化铋选自α‑Bi2O3、β‑Bi2O3。制备时，混合氧化铋粉、导电剂、粘结剂和吸附剂，加入有机溶剂，制成膏状物；膏状物辊压制成催化膜，或涂覆在集流体或防水透气膜上形成催化膜；在正极集流体两侧附催化膜，在一侧催化膜的外侧附防水透气膜，制成空气电极。本发明的空气电极采用氧化铋取代二氧化锰作为催化剂，能够降低成本，并能提高放电电压。
Description
技术领域
本发明属于空气电池技术领域，涉及一种空气电极，尤其涉及一种含氧化铋催化剂的空气电极及其制备方法。
背景技术
由于空气电极的正极活性物质是空气中的氧气，电池的电化学反应是发生在空气电池和电解液形成的固液气三相界面，所以它的电化学反应速度受到氧气从空气中扩散进来的速度以及在界面的反应活性所控制。因而要提高新空气电池的放电电流密度，可以从两方面进行考虑：一是提高空气电极的空气扩散能力，即提高透气性；二是提高固液气三相界面的电化学反应活性。而提高固液气三相界面的电化学反应活性，一般是通过选用催化性能优异的的催化材料来实现。
空气电极用电极催化剂需要满足：（1）具有一定的电子导电性；至少要有与导电材料充分混合后能为电子交换提供不引起严重电压降的电子通道；（2）对氧气的还原和析出均有良好的电催化活性；而且要对过氧化氢具有很好的催化分解作用；（3）在碱性电解液中的电化学稳定性好，使用寿命长；（4）价格低廉，资源丰富。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的含氧化铋催化剂的空气电极及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明涉及一种空气电极催化剂，所述催化剂为氧化铋；所述氧化铋选自α-Bi2O3、β-Bi2O3。
第二方面，本发明涉及一种空气电极，包括催化剂、粘结剂、吸附剂和导电剂，所述催化剂为氧化铋；所述氧化铋选自α-Bi2O3、β-Bi2O3。
作为本发明的一个实施方案，所述α-Bi2O3的平均粒径为0.5～10μm。
作为本发明的一个实施方案，所述β-Bi2O3的平均粒径为2～50μm。
作为本发明的一个实施方案，所述粘结剂为聚四氟乙烯、低压聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇的一种或几种。
作为本发明的一个实施方案，所述导电剂为导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、金属粉及导电聚合物的一种或几种。
作为本发明的一个实施方案，所述吸附剂为活性炭；或为活性炭和活性氧化铝粉末的混合物，其中活性氧化铝粉末占混合物总重的1-10%。
作为本发明的一个实施方案，所述空气电极的催化浆料由质量比为0.825:1的催化材料和有机溶剂组成；所述催化材料含氧化铋5-40份、导电剂5-30份、粘结剂10-30份，吸附剂20-50份。
第三方面，本发明涉及一种所述的空气电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1、制备催化膜：混合氧化铋粉、导电剂、粘结剂和吸附剂，加入有机溶剂，制成膏状物；膏状物辊压制成催化膜，或涂覆在集流体或防水透气膜上形成催化膜；
S2、在正极集流体两侧附催化膜，在一侧催化膜的外侧附防水透气膜，制成空气电极。
第四方面，本发明涉及一种金属空气电池，所述电池的空气电极为如权利要求2所述的空气电极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1）发明人发现氧化铋在本发明的体系（碱性液体）条件下，存在氧的氧化与还原特性；进而发现用氧化铋取代二氧化锰作为催化剂，具有更高的放电电压，进而实现提供一种新型空气电极用催化剂。
2）本发明的空气电极采用氧化铋作为催化剂，能够降低成本，并能提高放电电压。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为 α-Bi2O3粒径分布示意图；其中，1为粒径，2为含量；
图2为β-Bi2O3粒径分布示意图；其中，1为粒径，2为含量；
图3为实施例2与对比例1-5的空气电池的性能测试对比示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1～3
实施例1～3提供空气电极、铝空气电池及其制备；包括如下步骤：
（1）催化材料的准备
空气电极采用氧化铋作为催化剂。其中，氧化铋的晶型α-Bi2O3（淡黄色）与β-Bi2O3(橙黄色)都可以，其中，α-Bi2O3粒径分布如图1所示，β-Bi2O3粒径分布如图2所示。
实施例1～3选用β-Bi2O3。具体的各组分及用量如下表所示：
其中，粘结剂采用60%的固含量的PTFE。用于对比的对比例1～5的空气电极的组分及用量如上表，其余步骤同实施例。
实际配料表：（然后再用乙醇湿润分散，搅拌）配料后制作的物料实际成分会发生改变，因为PTFE只有60%的固体部分。
实施例1-3的实际配料表
| 催化剂（%） | 活性炭（%） | 导电炭黑（%） | 60%PTFE乳液（%） | 碳纳米管（%） | |
| 实施例1 | 15 | 33 | 20 | 32 | 0 |
| 实施例2 | 19.6 | 35 | 15 | 30 | 0 |
| 实施例3 | 20 | 24 | 29 | 24 | 3 |
对比例1-5的实际配料表
| 纳米二氧化锰（%） | 催化剂（%） | 活性炭（%） | 导电炭黑（%） | 60%PTFE乳液（%） | |
| 1 | 19.6 | 35 | 15 | 30 | |
| 2 | 14.7 | 4.9 | 35 | 15 | 30 |
| 3 | 9.8 | 9.8 | 35 | 15 | 30 |
| 4 | 4.9 | 14.7 | 35 | 15 | 30 |
| 5 | 16 | 16 | 29 | 13 | 26 |
（2）催化膜的制备方法：
将各组分混合，加入有机溶剂（乙醇，且混合组分与乙醇的质量比为0.825:1），制成膏状物（本实施例通过研磨分散实现，先将氧化铋、导电剂分散在有机溶剂中，在胶体磨中磨20min，再加入粘结剂、活性碳搅拌成膏状物），本实施例中膏状物辊压制成催化膜。也可以涂覆在集流体或防水透气膜上形成催化膜。
（3）空气电池性能测试：
在正极集流体两侧附催化膜，在一侧催化膜的外侧附防水透气膜，制成空气电极，阳极为铝板，电解液为6M氢氧化钾，以50mA/cm2进行恒流放电，每秒采一次电压。效果图3所示，其中，M20即纳米二氧化锰22%，B20为氧化铋22%，M15+B5为二氧化锰16%+氧化铋6%。纳米氧化锰的粒径为50nm99.9%，32m2/g，为α型（无定型）二氧化锰。图3为实施例2与对比例1-5的空气电池的性能测试对比。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种空气电极，包括催化剂、粘结剂、吸附剂和导电剂，其特征在于，所述催化剂为氧化铋；所述氧化铋选自α-Bi2O3、β-Bi2O3；所述空气电极的催化浆料由质量比为0.825:1的催化材料和有机溶剂组成；所述催化材料含氧化铋5-40份、导电剂5-30份、粘结剂10-30份，吸附剂20-50份；所述导电剂为导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维的一种或几种；所述有机溶剂为乙醇；
所述空气电极是由如下步骤制备而得：
S1、制备催化膜：混合氧化铋粉、导电剂、粘结剂和吸附剂，加入有机溶剂，制成膏状物；膏状物辊压制成催化膜，或涂覆在集流体或防水透气膜上形成催化膜；
S2、在正极集流体两侧附催化膜，在一侧催化膜的外侧附防水透气膜，制成空气电极。
2.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述α-Bi2O3的粒径为0.5～10μm。
3.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述β-Bi2O3的粒径为2～50μm。
4.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述粘结剂为聚四氟乙烯、低压聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述吸附剂为活性炭；或为活性炭和活性氧化铝粉末的混合物，其中活性氧化铝粉末占混合物总重的1-10％。
6.一种金属空气电池，其特征在于，所述电池的空气电极为如权利要求1所述的空气电极。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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