一种镁铝合金空气电池及其催化层的制备方法

摘要

本发明公开一种镁铝合金空气电池及其催化层的制备方法。该催化层的制备方法是在催化剂和碳材中加上盐、表面活性剂、稳定剂、粘接剂、螯合剂或络合剂等辅助剂，然后将其制备成糊状，并用有机弱酸或弱碱将pH值调节至中性附近，再涂抹在无纺布上，烘干即得催化层；一种镁铝合金空气电池，包括上述的催化层、镁铝合金、吸水层和集流体；所述镁铝合金、吸水层、催化层和集流层依次叠加即构成一个镁铝合金空气电池单元，多个单元串联或并联即构成镁铝合金空气电池组。本发明的镁铝合金空气电池催化层透气性好，催化剂表面吸水性强，催化效果好，使用极为方便，在对用电器供电时，仅需要向电池组沾上水即能使用。

权利要求

1.一种镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将表面活性剂、稳定剂和粘接剂分别配制成溶液；

（2）将金属盐与螯合剂一起配制成混合溶液，若溶液呈酸性或碱性时，加入适量的弱碱或弱酸，将pH值调节至接近中性；

（3）将步骤（1）配制的粘接剂溶液稀释，并加入步骤（1）配制的表面活性剂溶液和稳定剂溶液以及步骤（2）配制的金属盐与螯合剂的混合溶液，并搅拌均匀；

（4）向步骤（3）的混合液中加入碳材和催化剂，搅拌均匀后加入步骤（1）配制的粘接剂，再搅拌均匀成糊状；

（5）将步骤（4）糊状物涂覆在无纺布上，烘干即得到催化层；

所述金属盐中所含金属元素的单质的电势低于镁金属，所述催化剂为铂、铂合金、银、二氧化锰或金属有机螯合物。

2.根据权利要求1所述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于：所述金属盐的质量为最终干燥所得催化层质量的0.1%-4%。

3.根据权利要求1或2所述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于：所述金属盐为NaCl或Na2SO4。

4.根据权利要求1所述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于：所述催化剂的质量为最终干燥所得催化层质量的40 %-90%。

5.根据权利要求1所述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于：所述碳材为石墨、活性炭、导电碳或碳纤维，所述碳材的质量为最终干燥所得催化层质量的

5%-40%。

6.根据权利要求1所述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸、脂肪醇聚氧乙烯醚或吐温，所述表面活性剂的质量为最终干燥所得催化层质量的0.1 %-4%。

7.根据权利要求1所述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于：所述稳定剂为羧甲基纤维素纳或黄原胶，所述稳定剂的质量为最终干燥所得催化层质量的0.1 %-6%。

8.根据权利要求1所述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于：所述粘接剂为丁苯橡胶、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯酸，所述粘接剂的质量为最终干燥所得催化层质量的0.1 %-6%。

9.根据权利要求1所述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，其特征在于：所述螯合剂为乙二胺四乙酸、柠檬盐或多聚磷酸盐，所述螯合剂的质量为最终干燥所得催化层质量的1 %-10%。

10.一种含权利要求1制备的催化层的镁铝合金空气电池，其特征在于：还包括镁铝合金、吸水层和集流层；所述镁铝合金、吸水层、催化层和集流层依次叠加即构成一个镁铝合金空气电池单元，多个单元串联或并联即构成镁铝合金空气电池，所述集流层为铜或银。

说明书

一种镁铝合金空气电池及其催化层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属空气电池，尤其涉及一种镁铝合金空气电池，以及这种镁铝合金空气电池催化层的制备方法。

背景技术

[0002] 从元素周期表看，锂与镁成对角线关系，锂与镁之间的性质很相似，锂电池之所可以做成能量密度最高的电池是由于两个原因，一是所有金属中锂的电势是最负的；二是锂的单位质量可释放的电荷最大。但有一点限制了锂的发展，因为锂在上地壳中的丰度仅为20ppm，价格昂贵，而镁在上地壳中的丰度为1.32%，约是锂含量的660倍，可以说是用之不竭，而且价格低廉。另外镁的标准电极电势也很高，达到2.36V，而镁的单位质量可释放的电荷量在所有金属元素中排第二（除铍外，铍的化合物一般为有毒物质，不常用），理论容量达2203.2mAh/g，所以镁电池是一种很有发展前景的电池，目前镁电池已逐步受到重视，但镁铝合金空气电池研究依然不多。

[0003] 镁的化学性质很活泼，很容易受到腐蚀，而金属铝的活泼性稍差，因此本发明中将采用镁铝合金作为阳极，也可以通过掺杂加入锌锰等其它活性更差的金属，以降低镁的活性，减小在空气和溶液中的腐蚀速度。

[0004] 作为催化剂，虽然铂的催化性能非常好（如常用的Pt/C电极），但价格很昂贵，正如专利CN101567477A所述：寻找廉价、高效的氧化还原催化剂和研究新型结构的阴极制备技术是当前研究的热点。

发明内容

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种镁铝合金空气电池及其催化层的制备方法。

[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种镁铝合金空气电池催化层的制备方法，包括如下步骤：

[0007] （1）将表面活性剂、稳定剂和粘接剂按一定的浓度分别配制成溶液；

[0008] （2）将金属盐与螯合剂或络合剂一起配制成混合溶液，若溶液呈明显的酸性或碱性时，可加入适量的弱碱或弱酸，将pH值调节至接近中性；

[0009] （3）将步骤（1）配制的粘接剂溶液稀释，并加入步骤（1）配制的表面活性剂溶液和稳定剂溶液以及步骤（2）配制的金属盐与螯合剂或络合剂的混合溶液，并搅拌均匀；

[0010] （4）向步骤（3）的混合液中加入碳材和催化剂，搅拌均匀后加入步骤（1）配制的粘接剂，再搅拌均匀成糊状；

[0011] （5）将步骤（4）糊状物涂覆在无纺布上，在一定温度下烘干即得到催化层。

[0012] 上述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，所述金属盐中所含金属元素的单质的电势低于镁金属，优选具有这种性质的金属盐：具有吸潮的性质，但吸潮性不能太强，以免在最后烘干的极片中吸潮而导致自然放电，更优选为NaCl或Na2SO4，所述金属盐的质量为最终干燥所得催化层质量的0.1%-4%。

[0013] 上述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，所述催化剂为铂、铂合金、银、二氧化锰或金属有机螯合物，所述催化剂的质量为最终干燥所得催化层质量的40%-90%。

[0014] 上述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，所述碳材为石墨、活性碳、导电碳或碳纤维，所述碳材的质量为最终干燥所得催化层质量的5%-40%。

[0015] 上述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，所述表面活性剂为二十烷基苯磺酸钠、硬脂酸、脂肪醇聚氧乙烯醚或吐温，所述表面活性剂的质量为最终干燥所得催化层质量的0.1%-4%。

[0016] 上述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，所述稳定剂为羧甲基纤维素钠或黄原胶，所述稳定剂的质量为最终干燥所得催化层质量的0.1%-6%。

[0017] 上述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，所述粘接剂为丁苯橡胶、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯酸，所述粘接剂的质量为最终干燥所得催化层质量的0.1%-6%。

[0018] 上述的镁铝合金空气电池催化层的制备方法，所述螯合剂或络合剂为乙二胺四乙酸、柠檬盐或多聚磷酸盐，它们能与镁铝形成螯合物或络合物，并能溶解于水中：可与用来调节pH的物质形成共轭酸碱对，从而在水中形成缓冲溶液，使镁铝合金空气电池在使用过程中不会呈过分酸性而导致自腐蚀严重，也不会过分碱性而导致反应迟缓，这样都会缩短继航时间，所述螯合剂或络合剂的质量为最终干燥所得催化层质量的1%-10%。

[0019] 一种镁铝合金空气电池，包括上述的催化层、镁合金、吸水层和集流层；所述镁合金、吸水层、催化层和集流层依次叠加即构成一个镁铝合金空气电池单元，多个单元串联或并联即构成镁铝合金空气电池组，所述集流层为铜或银。

[0020] 本发明的有益效果在于：

[0021] （1）本发明的镁铝合金空气电池催化层透气性好，催化剂表面吸水性强，催化效果好，使之可长时间持续放电；

[0022] （2）本发明的镁铝合金空气电池，制作其中催化层所需的各种原材料丰富，制备方法简单；

[0023] （3）本发明的镁铝合金空气电池沾水即可发电，方便快捷，发电容量大，持续时间长，待电压降低后，重新注水就能再次提高电压，并继续发电；

[0024] （4）本发明的镁铝合金空气电池将镁铝合金与催化层通过吸水层叠在一起，不并像其镁电池一样隔开两个空间，简化了电池结构，减少了体积，突出表现在其便携性，易于控制用电器的通断。

附图说明

[0025] 图1为实施例1中流过用电器的时间电流曲线图。

[0026] 图2为实施例1中镁铝合金空气电池所释放的时间容量曲线图。

[0027] 图3为实施例1中镁铝合金空气电池带用电器时的容量电压曲线图

具体实施方式

[0028] 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明并不限于此。

[0029] 实施例1

[0030] 1、称取3克十二烷基苯磺酸钠于烧杯中，再加入120克N-甲基吡咯烷酮，搅拌使之完全溶解，备用；

[0031] 2、称取3克羧甲基纤维素钠于烧杯中，再加入75克水，搅拌使之呈透明的粘稠状，备用；

[0032] 3、称取6克丁苯橡胶于烧杯中，再加入6克水，搅拌使之呈均匀分布的胶体状，备用；

[0033] 4、向装有450克水的烧杯中加入9克硫酸钠和21克柠檬酸钠，使之完全溶解，呈透明状；

[0034] 5、向第4步中的溶液中加入十二烷基苯磺酸钠溶液、羧甲基纤维素钠溶液，使之分布均匀，再向其中加入导电碳黑36克，搅拌半小时后再加入石墨12克和活性碳36克，搅拌半小时后再加入二氧化锰174克，搅拌半小时后再加入丁苯橡胶胶液，再搅拌半小时即可得到糊状催化层半成品；

[0035] 6、将第5步中糊状催化层涂敷在无纺布上，在75℃烘箱中烘干，得到催化层成品；

[0036] 7、将镁铝合金、吸水层、上述的催化层、集流体依次叠起来得到所谓的镁-空气电池单元；

[0037] 8、将四个电池单元串联起来，将再正负极两端连接上LED灯，并向电池中加入1ml水，LED灯即可发光。

[0038] 本实施例可达到的效果是，首次沾水可以发光五天以上，端电压2.5V以上算正常发光时间，多次加水可以发光20天以上。12小时内的电压、电流和放电容量测试结果如图1至图3所示，以上是在温度为12℃时的测试结果。

[0039] 实施例2

[0040] 1、称取4克吐温于烧杯中，再加入50克水，搅拌使之完全溶解，备用；

[0041] 2、称取2克黄原胶于烧杯中，再加入75克水，搅拌使之呈透明的粘稠状，备用；

[0042] 3、称取8克聚四氟乙烯于烧杯中，再加入20克水，搅拌使之呈均匀分布的胶体状，备用；

[0043] 4、向装有450克水的烧杯中加入9克氯化钠和20克柠檬酸钠和2克乙二胺四乙酸，使之完全溶解，呈透明状；

[0044] 5、向第4步中的溶液中加入吐温溶液、黄原胶溶液，使之分布均匀，再向其中加入导电碳黑30克，搅拌半小时后再加入石墨14克和活性碳32克，搅拌半小时后再加入二氧化锰120克，搅拌半小时后再加入聚四氟乙烯胶液，再搅拌半小时即可得到糊状催化层半成品；

[0045] 6、将第5步中糊状催化层涂敷在无纺布上，在75℃烘箱中烘干，得到催化层成品；

[0046] 7、将镁铝合金、吸水层、上述的催化层、集流体依次叠起来得到所谓的镁-空气电池单元；

[0047] 8、将四个电池单元串联起来，将再正负极两端连接上LED灯，并向电池中加入1.5ml水，LED灯即可发光。

[0048] 通过测试，本实施例的实验结果是，12小时放出的容量为72.2mAh，用电器两端的电流为5.03mA。

[0049] 实施例3

[0050] 1、称取2克硬脂酸于烧杯中，再加入50克水，搅拌使之完全溶解，备用；

[0051] 2、称取10克羧甲基维纤素钠于烧杯中，再加入75克水，搅拌使之呈透明的粘稠状，备用；

[0052] 3、称取6克聚丙烯酸于烧杯中，再加入14克水，搅拌使之呈均匀分布的胶体状，备用；

[0053] 4、向装有450克水的烧杯中加入1克硫酸钠和12克柠檬酸钠和10克柠檬酸，使之完全溶解，呈透明状；

[0054] 5、向第4步中的溶液中加入硬脂酸溶液、羧甲基维纤素钠溶液，使之分布均匀，再向其中加入碳纤维10克，搅拌半小时后再加入石墨14克和活性碳40克，搅拌半小时后再加入二氧化锰200克和金属铂粉1克，搅拌半小时后再加入聚丙烯酸胶液，再搅拌半小时即可得到糊状催化层半成品；

[0055] 6、将第5步中糊状催化层涂敷在无纺布上，在75℃烘箱中烘干，得到催化层成品；

[0056] 7、将镁铝合金、吸水层、上述的催化层、集流体依次叠起来得到所谓的镁-空气电池单元；

[0057] 8、将四个电池单元串联起来，将再正负极两端连接上LED灯，并向电池中加入2ml水，LED灯即可发光。

[0058] 通过测试，本实施例的实验结果是，12小时放出的容量为83.7mAh，用电器两端的电流为5.46mA。