用于空气-金属电池组的催化空气阴极制造技术

一种在电化学电池或电池组中使用的空气阴极（１０），具有可透过空气但不能透过水的层（１２），导电中间层（１８）和催化层（２２），所述催化层包括碳颗粒、具有高表面积的颗粒材料、金属氢氧化物以及疏水颗粒的混合物。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及电化学电池，具体地说，涉及在金属-空气电池组中使用的一种改进的空气阴极。2.根据37CFR1.97和1.98包括相关技术的公开信息的描述诸如锌空气电池组这样的金属-空气电池组提供了超过诸如碱性、镍、锂离子、镉及其它高密度电池组之类的非传统电池组的非常高的能量密度的优点。锌空气电池组能够高度安全地以低成本在商业生产的基础上制造。适用于汽车的能再充电的锌电池组作为主要电源使用液态电解质并经常包括一个泵以再流通电解质。由于机械复杂性及其它问题，这样的系统对于从无线电到便携式计算机范围的小型电器使用是不实际的。已有几种尝试以建立用于小型或微型电器的电池组，诸如1990年9月18日授权给Michael C.Cheiky的美国专利4,957,826。Cheiky的专利公开了一种完全包裹在含有液态电解质的吸收织物阳极分离器中的锌阳极板。一种填充在惰性筛网分离器中的水凝胶材料被夹在包裹的阳极与空气阴极之间。凝胶材料可充分透过氧，在电池组的充电和放电循环期间允许氧通过，并且在不允许电解液从其中通过的情况下，给阳极分离器中的空气阴极和电解液提供化学反应通路。选择凝胶材料的可透过性，使得在电池组充电期间，由阳极产生的氧在阳极分离器和凝胶材料的界面施加足够压力以造成电解液通过织物阳极分离器边缘向其反向层再流通，从而阻止电解液到阳极的损耗。Cheiky专利技术的电池组使用了象半可透泡沫中的诸如锌的金属粉末或糊剂，填充于导电筛网中以形成阳极。一种同授权给Cheiky的美国专利4,957,826中公开的电池相似的更新的金属-空气电池公开在授权给Shepard Inc.等的美国专利5,306,579中。这一专利讨论了一种具有带氧还原催化剂和氧析出催化剂的活性层的双官能空气电极以提供更多次的充电-放电循环。另一项Sammells等的美国专利4,328,287公开了一种具有多孔电极的空气-金属电池组单元，通过多孔电极流通氧化气体和电解质的胶质。该电池可以是带有包括诸如锌之类的可消耗金属的阳极-电极的原电池。电解质通过电解质提供装置被提供给电池中的胶质形成区域，其包括电解质再循环泵装置及电解质处理装置，电解质处理装置用于从电解质中去除反应产物且适当处理用于再循环的通过分布器和歧管到电池的胶质形成区域的电解质。现有技术中公知的空气-金属电池一般包括一个可消耗金属阳极、一个催化非消耗的耗氧阴极以及一种合适的电解质。这些原燃料电池中的一些是带有可代替阳极的多室电池组。其它类型的空气-金属电池包括那些以微型钮扣电池形式制造的用于助听器及类似物的电池。典型的锌-空气钮扣电池一般包括一个具有至少一个用于空气进入的空气口和含有一个通常包括气体可透过的疏水聚合物薄膜的非消耗的空气阴极结构，其上粘合金属集流格栅及防水多孔催化材料，诸如与疏水粘结剂混合的金属催化活性炭。钮扣电池也包括一个阳极容器或其典型地能够通过卷曲被接合到阴极并且其包括一个锌阳极团，典型地以汞齐化锌粉末的形式，或者与碱性电解液接触并浸透的多孔锌，所述碱性电解液诸如30至40％的KOH水溶液。电池组还包括阴极与阳极间的绝缘体，典型地由能够起电解质密封的作用的聚乙烯、聚丙烯、尼龙及类似物制成。一种典型的混合物钮扣电池公开在授权给Passaniti等的美国专利5,308,711中。该专利也披露了一种空气阴极。诸如锌-氧电池这样的空气-金属电池组已经作为电源被用于电动车辆及类似物，因为它们相对于其它化学电池能提供高能量密度。锌-氧电池还被发现适合是因为它们可以通过机械置换锌电极被再充电，通过置换含锌颗粒的液态电解质或者通过电-机械地补充锌到阳极同时也得到新鲜的氧气供应。美国专利4,009,230提出了一种具有通过由凝胶状电解质围绕的活性炭阴极的空气通路的空气-锌电池组。美国专利4,137,371描述了一种具有锌电极和氧多孔扩散阴极的锌-氧电池，阴极带有直接接合在该电极的多孔层与锌电极之间的氧电极的锌酸盐离子扩散限制隔膜。这是为了防止锌酸盐离子污染电化学活性材料。另一项1995年8月29日授权给Korall等的美国专利5,445,901公开了一种多室密封的锌-氧电池组，包括一个装有多个双室的容器，每个室具有两个主表面的外壳且容纳一对以氧还原电极的形式反向排列、空间分隔的可透过空气但不能透过水的阴极，并在它们之间设定一个空腔以容纳电池组的阳极和电解质。由上面的讨论可见空气-金属电池组或电池有许多形式和尺寸并且发现成为从电动汽车到微型助听器的宽范围设备提供便携式电能的有效途径。当然，这些不同类型电池组或电池的每一种最重要的是有效和充足的空气阴极。大多数涉及使用了多孔碳或石墨的空气阴极的现有技术，令人遗憾的是固有结构太脆弱以致不能以大大小于1/8英寸的厚度被使用。基于刚性的、相当厚的多孔碳板或块的电极也已被广泛研究，强调孔径的效果、气体可透性和电极性能。除了体积大，这些厚板不是均匀多孔的。基于薄的多孔碳纸的电极，诸如美国专利3,912,538中所公开的，解决了体积大的问题并具有缩短的扩散通道。令人遗憾的是，薄的多孔碳纸衬底非常易碎，而且它们遭受电解质的过量液泛，其妨碍了气体进入到电极的电催化位置。为控制液泛，碳纸被经常通过，例如增加它们的电阻的聚四氟乙烯涂层变得疏水。另外，因为它们结构脆弱，它们在操作时容易破碎，当它们在适度的气体压力下操作的时候也是同样。最后，防湿碳纸必须是密集的以提供最小量的结构完整性。这一特征将催化层限制到仅粘合在纸衬底一面的表面涂层，并且作为纸，它们的多孔固有地不均匀。另一薄的电解气体扩散电极包括充分均匀的开孔碳或石墨衬底，具有大约5至40密耳(千分之一英寸)的厚度范围，并最好在大约10至大约35密耳且包括聚四氟乙烯或相似的防湿颗粒和嵌入及加入织物孔内的催化碳颗粒的混合物。这种电极具有改进的电化学性能以及提高的结构强度并适合应用在自由流动的电解电化学电池中。催化碳颗粒是不含金属的催化碳颗粒或精细分隔的高表面积碳，根据环境(比如酸性或碱性，空气或氢气及操作条件温度、电流密度和服务的预期长度)携带适合的已知的贵金属催化颗粒，包括铂、钯、镭、铱、钉和银。合适的衬底是开孔均匀的织物，由碳化物在预织碳酸纤维的高温下制成。织物的碳含量应该是重量超过97％且最好是重量至少99％以避免不希望的杂质与电解质相互作用。还有另一于1991年2月3日授权给Linstrum的美国专利4,248,682，公开了薄的气体扩散电极，包括开孔碳织物衬底，具有催化碳颗粒的均匀混合物且最好是粘在织物孔内及织物线上的聚四氟乙烯颗粒，因而形成与多个空间接近的、最好是贵金属集流触点组合在一起的电极。这样一种扩散电极典型地被使用在电化学电池中，包括操作于高电流密度的金属-空气电池组和锌电极电池及类似物。按照4,248,682号专利，一种导电薄型碳织物涂敷有混合在聚四氟乙烯或其它疏水粘合剂中的催化碳颗粒，这样它们粘在织物开口或孔内。携带带子的银电流被在织物内交织以提供通过织物区域的电流收集。尽管银在专利中被描述，金和铂或者其它贵金属能够被使用。授权给德国人Hoehne的美国专利4,091,175公开了一种用于电化学电池的空气电极，使用涂敷银的碳作为催化材料。这一专利中披露的催化材料还含有重量达2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在电化学电池中使用的阴极，包括：可透过空气但不能透过水的部分；催化部分，包括碳颗粒、具有高表面积的颗粒材料、金属氢氧化物和疏水颗粒的混合物；以及导电结构，位于所述可透过空气但不能透过水的部分与所述催化部分之间，所述导电结构限 定足够的通路以允许空气从其中通过。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：孙友翔，楼超来，
申请(专利权)人：高密度能量公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]