本发明涉及一种气体扩散电极的制备方法。
背景技术：
金属-空气电池(锌-空、镁-空、钒-空电池等)由于具有比能量大、可靠性高、对环境无污染、使用安全等特点，目前越来越受到人们的重视。气体扩散电极是金属-空气电池的正极，既为空气(氧气)提供扩散和渗透通道，尤其是催化膜，承载催化剂并提供固、液、气三相反应界面，保证氧气还原反应能够顺利的进行；同时气体扩散电极的防水膜又要充分疏水，以防止电解液渗漏。因此，气体扩散电极性能的好坏制约着空气电池的优劣。
CN1558459A公开了一种气体扩散电极的干嵌工艺，其为首先将催化料的干粉制备成膏状物，经过滤、干燥，75℃预热等工艺，集流体上下居中通过干嵌容器，粉料分散于集流体两侧，压制成电极形状，同时，极片需在半密闭的加热腔体中，经200-350℃的热处理烧结。此工艺需要复杂的前处理工艺，将干粉制备成膏状，过滤、烘干并进行200-350℃烧结，而非在常温下即可制备出电极。且粉料堆积在集流体两侧会导致空气极厚度不均匀、一致性差等问题。
CN101986449A公开了一种干嵌式空气电极的制造方法，通过将干粉平铺在铜网上，在温度240℃的对辊机上进行一次辊压，再平铺防水材料干粉，在350℃对辊机上进行第二次辊压，然后按照厚度要求进行第三次辊压。此工艺的缺点在于采用干粉料平铺的方法，干燥粉末混合物在碾压的过程中，形成的片状物容易粘附在施加压力的设备(辊子、压板等)上，而不会自行脱落，为了净化辊子就需要中断辊压过程，因此不能连续化大规模生产。同 时辊压温度较高，对于操作人员具有一定的高温危害，350℃下聚四氟乙烯粘结剂会发生分解，产生有毒气体，危害操作人员的身体健康。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中气体扩散电极的制备工序复杂、制备温度高的问题，提供一种适用于常温，操作简单且能够连续化高效率制备气体扩散电极的方法，并且通过该方法得到的气体扩散电极的厚度均匀、放电性能一致稳定。
本发明的发明人意外地发现，通过使用特定用量的聚四氟乙烯水乳液与特定用量的碳材料和催化剂进行混合，能够意想不到地在常温下高效率地连续化生产气体扩散电极，且得到的气体扩散电极的厚度均匀、放电性能一致稳定，从而完成了本发明。
由此，本发明提供了一种气体扩散电极的连续制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
1)将碳材料、催化剂和聚四氟乙烯水乳液进行混合，得到混合后的产物；
2)将步骤1)得到的混合后的产物辊压成催化剂膜；
3)将步骤2)得到的催化剂膜层压到集流体的一个表面上，并在集流体与催化剂膜进行层压的表面的相对面上层压防水膜；或者
将步骤2)得到的催化剂膜层压到集流体的一个表面上，并在催化剂膜与集流体进行层压的表面的相对面上层压防水膜；
其中，所述聚四氟乙烯水乳液中的聚四氟乙烯的含量为50-70重量％，且相对于100重量份的碳材料，所述催化剂的用量为20-60重量份，所述聚四氟乙烯水乳液的用量为20-55重量份。
通过本发明的方法，能够在常温下高效率地连续化生产气体扩散电极， 且得到的气体扩散电极的厚度均匀、放电性能一致稳定。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供的气体扩散电极的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
1)将碳材料、催化剂和聚四氟乙烯水乳液进行混合，得到混合后的产物；
2)将步骤1)得到的混合后的产物辊压成催化剂膜；
3)将步骤2)得到的催化剂膜层压到集流体的一个表面上，并在集流体与催化剂膜进行层压的表面的相对面上层压防水膜；或者
将步骤2)得到的催化剂膜层压到集流体的一个表面上，并在催化剂膜与集流体进行层压的表面的相对面上层压防水膜；
其中，所述聚四氟乙烯水乳液中的聚四氟乙烯的含量为50-70重量％，且相对于100重量份的碳材料，所述催化剂的用量为20-60重量份，所述聚四氟乙烯水乳液的用量为20-55重量份。
根据本发明，从进一步提高制备得到的气体扩散电极的厚度均匀性、放电性能一致性的方面来考虑，优选地，相对于100重量份的碳材料，所述催化剂的用量为30-50重量份，所述聚四氟乙烯水乳液的用量为25-50重量份。
根据本发明，所述碳材料可以为本领域通常所使用的各种用于制备气体扩散电极的材料，优选地，所述碳材料为活性炭、乙炔黑、碳纳米管和石墨中的一种或多种；更优选为活性炭和/或乙炔黑。
从进一步提高制备得到的气体扩散电极的厚度均匀性的方面来考虑，优选所述碳材料的平均粒径为35-55μm，更优选为40-50μm，进一步优选为 45-50μm。
根据本发明，所述催化剂可以为本领域通常所使用的各种用于制备气体扩散电极的催化剂，优选地，所述催化剂为过渡金属氧化物；更优选为锰的氧化物，进一步优选为二氧化锰。
从进一步提高制备得到的气体扩散电极的厚度均匀性的方面来考虑，优选所述催化剂的平均粒径为2-13μm，更优选为5-9μm。
根据本发明，从进一步提高在常温下连续化制备气体扩散电极的效率方面来考虑，优选所述聚四氟乙烯水乳液中的聚四氟乙烯的含量为55-65重量％，更优选为58-62重量％，进一步优选为60重量％。
根据本发明，将碳材料、催化剂和聚四氟乙烯水乳液进行混合的方式没有特别的限定，可以将其中的两种混合后再与第三种混合，本发明优选：先将碳材料与催化剂进行第一混合后，再将第一混合后得到的产物与聚四氟乙烯水乳液进行第二混合。
上述第一混合的条件包括：混合的温度为15-40℃，混合的时间为60-120min。
上述第二混合的条件包括：混合的温度为15-40℃，混合的时间为20-40min。
上述各混合可以在本领域公知的高速混合机中进行。对于在高速混合机中的混合速度，只要能够混合均匀即可。例如可以为600-1100rpm/min，优选为700-1000pm/min。
根据本发明，优选的情况下，在将碳材料、催化剂和聚四氟乙烯水乳液进行混合后，在将混合后的产物辊压成催化剂膜之前，优选将混合后的产物进行粉碎后，通过25-40目的筛网(优选为35目)，以除去大颗粒。上述粉碎可以为本领域常规的方法，例如可以将混合后的产物在破碎机中破碎1-2min。
根据本发明，在将碳材料、催化剂和聚四氟乙烯水乳液进行混合后，再将混合后的产物辊压成催化剂膜；或者，在将碳材料、催化剂和聚四氟乙烯水乳液进行混合后，将混合后的产物粉碎并除去大颗粒后再辊压成催化剂膜。
将混合后的产物辊压成催化剂膜的方式没有特别的限定，可以为本领域常规的各种方法，例如为：调节两个对辊间隙，通过震荡器将催化料均匀振入两个对辊之间，一次辊压出膜。
对于得到的催化剂膜的厚度没有特别的限定，可以根据期望得到的厚度来选择，例如可以为150-400μm，优选为200-300μm。
根据本发明，将步骤2)得到的催化剂膜层压到集流体的一个表面上，并在集流体与催化剂膜进行层压的表面的相对面上层压防水膜的方法；以及，将步骤2)得到的催化剂膜层压到集流体的一个表面上，并在催化剂膜与集流体进行层压的表面的相对面上层压防水膜的方法，可以为本领域常用的各种方法。优选地，上述层压的方法为：在步骤2)将步骤1)得到的混合后的产物辊压成催化剂膜的同时，将成型的催化剂膜与集流体叠放，经对辊机辊压一次，使催化膜与集流体贴合紧密，再与防水膜叠放，经对辊机辊压一次，由此得到本发明的气体扩散电极。
上述辊压的条件包括：将一次辊压成型的催化剂膜通过转动的轴卷成卷状，然后分别用两个转动的轴带动催化剂膜和集流体，通过对辊将催化剂膜和集流体层压在一起，同样将层压在一起的集流体和催化剂膜通过转动的轴卷成卷状，再与防水膜层压在一起，通过调节两辊的间距得到合适厚度的气体扩散电极。
根据本发明，在步骤3)中，所述集流体为本领域常规使用的各种用于气体扩散电极的集流体。具体地，所述集流体为不锈钢网、铜网或镍网。
根据本发明，在步骤3)中，所述防水膜为本领域常规使用的各种用于 气体扩散电极的防水膜。优选地，所述防水膜为聚四氟乙烯膜。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
将100重量份的活性炭(平均粒径为47μm)、41重量份的二氧化锰干粉(平均粒径为7μm)在高速混合机中以转速为800rpm/min混合120min，然后再加入25重量份的聚四氟乙烯水乳液(聚四氟乙烯含量为60重量％)，以转速为700rpm/min混合40min，混合后用破碎机破碎1min，筛网(35目)过筛，去除大颗粒。通过震荡器将去除大颗粒后的物料均匀振入两个对辊之间，一次辊压出膜(辊压条件为对辊间距为0.15mm)，得到催化剂膜，其成膜性能良好。然后，将催化剂膜与集流体(不锈钢网)经对辊机进行辊压后(辊压条件为对辊间距为0.2mm)，再连续地与防水膜合膜进行辊压(辊压条件为对辊间距为0.35mm)，得到气体扩散电极，经过厚度的测定可知得到的气体扩散电极的厚度均匀一致。
实施例2
将100重量份的活性炭(平均粒径为47μm)、50重量份的二氧化锰干粉(平均粒径为7μm)在高速混合机中以转速为1000rpm/min混合60min，然后再加入50重量份的聚四氟乙烯水乳液(聚四氟乙烯含量为58重量％)，以转速为900rpm/min混合20min，混合后用破碎机破碎1min，筛网(35目)过筛，去除大颗粒。通过震荡器将去除大颗粒后的物料均匀振入两个对辊之间，一次辊压出膜(辊压条件为对辊间距为0.2mm)，得到催化剂膜，其成膜性能良好。然后，将催化剂膜与集流体(不锈钢网)经对辊机进行辊压后(辊压条件为两辊间距为0.35mm)，再连续地与防水膜合膜进行辊压(辊压条件为对辊间距为0.45mm)，由此连续地得到气体扩散电极。经过厚度的测定可知得到的气体扩散电极的厚度均匀一致。
实施例3
将100重量份的活性炭(平均粒径为47μm)、33重量份二氧化锰干粉(平均粒径为5μm)在高速的混合机中以转速为900rpm/min混合90min，然后再加入33重量份的聚四氟乙烯水乳液(聚四氟乙烯含量为62重量％)，以转速为800rpm/min混合30min，破碎机破碎1min，筛网(35目)过筛，去除大颗粒。通过震荡器将去除大颗粒后的物料均匀振入两个对辊之间，一次辊压出膜(辊压条件为对辊间距为0.2mm)，得到催化剂膜，其成膜性能良好。然后，将催化剂膜与集流体(不锈钢网)经对辊机进行辊压后(辊压条件为对辊间距为0.3mm)，再连续地与防水膜合膜进行辊压(辊压条件为对辊间距为0.4mm)，由此连续地得到气体扩散电极。经过厚度的测定可知得到的气体扩散电极的厚度均匀一致。
对比例1
按照实施例1的方法进行，不同的是，使用相同用量的聚四氟乙烯替换聚四氟乙烯水乳液，其结果不能成膜，出现小片状一碰即碎，无法进行后续工序，对辊机上易粘上干粉料。
对比例2
按照实施例1的方法进行，不同的是，聚四氟乙烯水乳液的用量为66重量份，其结果为膜的厚度较高且不均匀，韧性差，同时膜的表面出现白点(这是由于聚四氟乙烯的含量较高，在高速混合的过程中出现团聚)。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。