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空气电极防水透气膜的工艺研究


2003年12月

河北工、皿大学学报

December 2003

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文章编号:1007—2373(2003)06—0021.05


空气电极防水透气膜的工艺研究
卜路霞,梁广川,欧秀芹,梁金生
河北工业大学能源与环保材料研究所,天津300130)

摘要:对防水透气膜中各成分用量及制备工艺参数进行优化研究,确定了防水透气膜的最 佳工艺条件,制备出空气电极,用空气电极与铝阳极成功组装单电池,并采用sEM、稳态 极化曲线法和恒电流放电法对防水透气膜的性能进行研究.结果表明:防水透气膜具有优 异的电化学性能,空气电极的极化明显减小,电流密度由82 mA/cm2提高到150 mA/cm2; 单电池样品的恒流放电容量在40 Ah毗上, 关键词:铝/空气电池;防水透气膜;空气电极;聚四氟乙烯;造孔剂 中图分类号:TM911.4l 文献标识码:A

O引言
铝/空气电池具有电化学当量高、成本低、安全、无污染等优点,应用前景广阔“1.国内外学 者对其已进行了多年的研究“,.然而,目前影响铝/空气电池进行工业化生产的关键技术是其空

气电极的制备问题.空气电极的电极反应发生在气、液、固三相界面上,即必须在活性齐?j(氧气)、 电解质和催化剂之间形成3个相界,缺任何一相都不能完成电化学反应….空气电池利用空气中
的氧气为活性物质,氧气连续不断的通过防水透气层进入三相界面进行反应及反应产物的排放都

需要依靠气体的扩散来实现,因此,气体扩散的难易是造成空气电极极化大的关键因素.而氧气
扩散的难易与防水透气膜密切相关,它取决于透气层的孔率、孔长及曲折度,即取决于透气层的 物料配比和工艺条件”1.

本文针对空气电极中的防水透气膜进行研究,对防水透气膜中各成分的用量及成膜的工艺条
件进行优化,确定了防水透气膜最佳制备工艺,力图研制出一种气体扩散性能和电化学性能优异 的防水透气膜.

1实验
1.1防水透气膜的制备

防水透气膜的制备工艺流程如图1所示.防水透气膜主要由活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯 (PTFE)组成,采用无水乙醇为溶剂并加入一定的造孔剂.其中,活性炭经过疏水处理,具有良好
的疏水效果.制膜时,首先将各原料配好,然后进行分散处理,凝聚后放入轧膜机中碾压,待坯 料基本纤维化后,控制碾压比和压缩次数,即得到所需要的防水透气膜. 1.2空气电极的制备及极化性能的测试 空气电极采用4层结构,即催化层(自制)/防水透气层I/导电网,防水透气层II,按顺序叠
收稿日期:2呻3-06_15

基盒项目;河北省科技攻关计划项目资助(01212】02)
作者简介:h路霞(1980-),女(汉族),硕士生.

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24

河北

l:业大学学报

2003年第6期

量比),空气电极性能最好. 2.4防水透气膜最佳工艺讨论 通过以上的实验,确定了防水透气膜的最佳工艺条件,即防水透气膜I中活性炭:PTFE:乙炔 黑大约为6:4:l(质量比),防水透气膜II中造孔剂的用量为60%.为了进一步的比较优化前后防水 透气膜的表观形态与电化学性能的关系.采用sEM对防水透气膜的表面形态进行r观察,实验结果 如图5所示.从图5可以明显看出,优化后制得的防水透气膜为多iL结构,聚四氟乙烯均匀的分布在 其中,平均孔径大约为200 nm,且分布较为均匀,因而具有更好的气体扩散性能,使空气电极的电化 学性能明显提高.

(a)PTFE活性炭=2

3(质量比)

(b)造孔剂活性炭PTFE:乙炔黑=
10:6:4

l(质量比)

圈5防水透气膜的sEM照片(放大5 000倍)

另外,在相同的实验条件下,对防水透气膜的厚度进行了研究.结果表明,当厚度小于o.2mm时, 透气效果较好,但当厚度减小时,不仅会增加制膜的难度,而且会影响电池的防渗、防漏效果.综合考

虑并进行反复的实验,本文把防水透气膜I的厚度定为o.2 mm,防水透气膜II定为0
2.5铝空气电池样品的放电?眭能

4 mm.

为了进一步考察防水透气膜的性能,把优化好的两层防水透气膜和催化膜压制在一起做成空 气电极,并与铝合金组装成电池样品,用恒电流放电方法测试电池样品的放电性能,结果如图6 所示. 由图中可以看出,单电池在恒电流4A 放电时,电压保持在1.15 v左右,放电电 压比较平稳,放电容量超过40Ah,说明所 制得的空气电极具有较好的气体扩散性能 和电化学性能.当放电时间较长时,电压 开始下降,这主要是由于溶液中的沉淀物 A“OH),逐渐增加而引起的.Al(OHX的产生, 导致空气电极的毛细微孔被堵塞,使空气 电极的极化增火,从而引起电压的下降.
图6铝空气电池放电曲线(4A)



3结论
1)通过上述实验确定了防水透气膜的最佳制备工艺,即活性炭:P11FE:乙炔黑大约为6:4:1

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空气电极防水透气膜的工艺研究 (质量比),防水透气膜II中造孔剂的用量为60%.

25

2)研制的防水透气膜性能优异,很大程度上减小了空气电极的极化,电流密度从82 mA/c秆
提高蛩J
150

m~cm2.

3)采用优化的防水透气膜制备空气电极,并成功组装大容量的铝/空气单电池;铝/空气电池 的放电电压较平稳,4 A恒流放电容量在40 Ah以上.

参考文献:
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f2】任学佑铅/空气电池进展(上)fJ】.电池,1994,24(6);284086 【3】壬兆文.李庆峰,高炳亮,等铝一空气电池的开发与应用【J】有色矿冶.2002.18(I):38.4l
[41
GordonR

sIone,me协l坷r血el

cells.aviaMo power

sys把m缸themw cen姐yⅢ1kB甜目了M蚰,200l(1):24-29
电源技术,1993,17(1):11—17.

【5]周震涛,周晓斌聚四氟乙烯在锌-夺气电池中的应用【J】丁程塑料应用,200l,29(1):23—25 【6】史鹏飞,尹鸽平.夏保伟,等1千瓦铝空气电池组的研究【J】

【7]蒋太祥.史鸸飞铝空气电池氧电极催化荆的1二艺研究【J】电源技术,1994,18【2):23-39

Study

on

Gas

Di觚sion and Wate叩roof Layer of Air Electrode
Xiu-qin,LMNG
Jin-sheng Eco-m咖五als science,HebclunivefsIIy ofRchllology,Tianjin 300130,chi啮)

BU Lu—xia,LIANG Guang—chuan,OU
(Insnmte ofNewEnergy Re∞uIce蚰d

Abstract:Air eIec协)de i8 prepared by tlle meaIls ofoptiIIlizing the factors ofthe gas difhJsion and watcrproof layer such
as

the di丘b咒nt composi右on proponions and processing parameters in this papeL

ADd thc single

alumiDum/air batteq is also
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The propenies ofme g鹪difhlsion and waterpmoflayer

stIldiedbythemeans ofsEM,polarization cunre

rnethodanddischarging curvetest.The re鲫1ts

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the p01arization ofair elec仃ode is reduced g坞atly and the

cu咖t density is
40 Ah at 4A.

iIlcrc勰ed丘om 82 mA/cm2

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mA/cm2.The capacity ofthe aJumil】姗怕ir banew is
1(ey words:aluIninum/air battery;gas materiaI

over

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and waterpr00flaycr;air

elcc仃0de;PTFE;pore—fb嘣ng

万方数据  

空气电极防水透气膜的工艺研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 卜路霞, 梁广川, 欧秀芹, 梁金生 河北工业大学,能源与环保材料研究所,天津,300130 河北工业大学学报 JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 2003,32(6) 2次

参考文献(7条) 1.桂长清 铝空气电池的前景[期刊论文]-电池 2002(05) 2.任学佑 铝/空气电池进展(上) 1994(06) 3.王兆文.李庆峰.高炳亮 铝一空气电池的开发与应用[期刊论文]-有色矿冶 2002(01) 4.Gordon R Stone,metal/airfuel cells,aviable power systemforthe new century 2001(01) 5.周震涛.周晓斌 聚四氟乙烯在锌-空气电池中的应用[期刊论文]-工程塑料应用 2001(01) 6.史鹏飞.尹鸽平.夏保佳 1千瓦铝空气电池组的研究 1993(01) 7.蒋太祥.史鹏飞 铝空气电池氧电极催化剂的工艺研究 1994(02)

引证文献(2条) 1.陈茂斌.李晓兵.张胜涛.刘效疆.孟凡明.刘联 电化学制氧机中的炭电极研制[期刊论文]-化学与生物工程 2008(1) 2.尹屹峰 锌空气电池氧电极制备工艺及催化剂的研究[学位论文]硕士 2005

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hbgydxxb200306005.aspx 授权使用:中南大学(zndx),授权号:5a50962d-90d8-485b-a22a-9e9300ec2c4b 下载时间:2011年2月23日


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