空氣電極、空氣電極制備方法和鋁空氣電池與流程

本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及空氣電極、空氣電極制備方法和鋁空氣電池。

背景技術(shù)：

空氣電池是化學(xué)電池的一種，利用空氣中的氧氣為氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成電池的一極，金屬電極為電池的另一極，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能量的供應(yīng)。目前的空氣電池主要有鋰空氣電池、鋅空氣電池以及鋁空氣電池?？諝怆姵貙?shí)現(xiàn)其能量轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要步驟，即利用空氣電極，將空氣中的氧氣還原。因此，空氣電極的電化學(xué)性能以及穩(wěn)定性，都稱為影響空氣電池電池性能的重壓因素。

然而，目前的空氣電極及其制備方法仍有待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)是基于發(fā)明人對(duì)以下事實(shí)和問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)作出的：

目前的空氣電極中，普遍存在制備過(guò)程復(fù)雜、電化學(xué)性能以及催化性能不理想的問(wèn)題。由于空氣電極需要將空氣中的氧氣還原，因此，空氣電極普遍具有負(fù)載有催化劑的催化劑層，以降低氧氣的還原電位。此外，空氣電極不僅要求其要具有良好的電化學(xué)性能，還要求電極表面要具有較為良好的氣體擴(kuò)散性能，以便空氣(氧氣)能夠較為容易的在接觸到催化劑層。因此，現(xiàn)有的空氣電極通常需要將催化劑等電極材料進(jìn)行多次輥壓、揉壓等處理，或反復(fù)涂刷在集流體、擴(kuò)散層等結(jié)構(gòu)表面，再進(jìn)行成型處理，以實(shí)現(xiàn)空氣電極的制備。并且，由于催化劑材料多為粉體材料，因此在制備空氣電極的催化劑層時(shí)，需要將粘合劑以及催化劑材料混合并反復(fù)輥壓，以實(shí)現(xiàn)催化劑層的成型或是催化劑層與電極其他結(jié)構(gòu)的粘合。而粘結(jié)劑材料通常為絕緣體，因此造成空氣電極實(shí)際的催化性能不能夠達(dá)到催化劑材料自身的催化性能，電極的整體電學(xué)性能也將受到負(fù)面影響。

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。

在本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提出了一種空氣電極。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該空氣電極包括：擴(kuò)散層；催化劑層，所述催化劑層設(shè)置在所述擴(kuò)散層的一側(cè)，所述催化劑層包括碳納米管以及催化劑，且所述催化劑層中不含有粘結(jié)劑；以及集電層，所述集電層設(shè)置在所述擴(kuò)散層以及所述催化劑層之間，或設(shè)置在所述催化劑層遠(yuǎn)離所述擴(kuò)散層的一側(cè)。該空氣電極由于催化劑層采用了具有較高電化學(xué)活性以及比表面積的碳納米管，且避免了在催化劑層中引入粘結(jié)劑，因此具有催化活性較高、電化學(xué)性能穩(wěn)定、制備簡(jiǎn)單、電極導(dǎo)電性能良好等優(yōu)點(diǎn)的至少之一。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述催化劑層中，所述碳納米管的長(zhǎng)徑比500:1～3000:1。發(fā)明人經(jīng)過(guò)深入研究以及大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用長(zhǎng)徑比在上述范圍內(nèi)的碳納米管時(shí)，可以在不引入粘結(jié)劑的條件下，通過(guò)諸如簡(jiǎn)單的輥壓成型處理形成催化劑層。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述催化劑層包括由碳納米管經(jīng)過(guò)一次輥壓成型處理而形成的碳納米紙。由此，可以簡(jiǎn)化該空氣電極的制備過(guò)程，降低生產(chǎn)成本，有利于該空氣電極的推廣。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述碳納米管在所述一次輥壓成型處理之前，表面預(yù)先負(fù)載有所述催化劑。由此，可以提高催化劑層負(fù)載催化劑的量以及催化劑負(fù)載的均勻程度，從而可以進(jìn)一步提高該空氣電極的電極性能。

在本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提出了一種制備前面所述的空氣電極的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：(1)制備催化劑層，所述催化劑層包括碳納米管以及催化劑，且所述催化劑層中不含有粘結(jié)劑；以及(2)將所述催化劑層與擴(kuò)散層以及集電層進(jìn)行壓合處理，以便獲得所述空氣電極。該方法操作步驟簡(jiǎn)單，制備周期短，生產(chǎn)成本低廉，有利于空氣電極的推廣以及應(yīng)用。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，步驟(1)進(jìn)一步包括：對(duì)所述碳納米管進(jìn)行一次輥壓成型處理，以便形成碳納米紙；以及在所述碳納米紙上負(fù)載所述催化劑，以便獲得所述催化劑層。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，步驟(1)進(jìn)一步包括：對(duì)預(yù)先負(fù)載有所述催化劑的所述碳納米管進(jìn)行一次輥壓成型處理，以便獲得所述催化劑層。由此，可以進(jìn)一步提高催化劑負(fù)載的均勻程度，有利于進(jìn)一步提高獲得的空氣電極的電極性能。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述一次輥壓成型處理是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的：將所述碳納米管與乙醇以及分散劑混合以便獲得混合液，對(duì)所述混合液依次進(jìn)行抽濾處理以及烘干處理，對(duì)所述烘干處理獲得的固體進(jìn)行輥壓處理。由此，可以進(jìn)一步提高一次輥壓成型處理的效果。

在本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提出了一種制備空氣電極的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：(1)將碳納米管與乙醇按照液固比為3:1～10:1的比例混合后，按照硝酸錳與所述碳納米管的質(zhì)量比為1:5～2:1的比例，在所述碳納米管與所述乙醇的混合液中加入硝酸錳溶液，按照蒸餾水與所述乙醇的質(zhì)量比為1:10～1:5的比例加入蒸餾水，超聲分散5～30min以便獲得分散液，其中，所述碳納米管的長(zhǎng)徑比500:1～3000:1；(2)將所述分散液在室溫條件下靜置陳化1-10h；(3)將經(jīng)過(guò)所述陳化的所述分散液在50-100攝氏度的溫度下烘干以便獲得催化劑固體原料，所述烘干的時(shí)間為2-5h；(4)將所述催化劑固體原料裝入密閉氣氛爐中進(jìn)行焙燒處理，所述焙燒處理在惰性氣體氣氛下，200-500℃的溫度下進(jìn)行，焙燒時(shí)間為2-10h。將經(jīng)過(guò)焙燒處理的催化劑固體原料進(jìn)行研磨處理，以便得到粉狀催化劑材料；(5)將粉狀催化劑材料與乙醇按照液固比為3:1-10:1進(jìn)行混合攪拌，隨后加入分散劑進(jìn)行攪拌分散，分散時(shí)間10-60min。所述分散劑與所述粉狀催化劑材料的質(zhì)量比為0.1％-1.0％；(6)對(duì)步驟(5)獲得的混合物依次進(jìn)行抽濾、烘干、以及輥壓處理后，得到催化劑層；(7)將所述催化劑層與擴(kuò)散層、集電層在壓片機(jī)下進(jìn)行壓合，以便獲得所述空氣電極，所述壓合的壓力5-30MPa，壓合時(shí)間30-300s。該方法操作步驟簡(jiǎn)單，制備周期短，生產(chǎn)成本低廉，有利于空氣電極的推廣以及應(yīng)用。

在本發(fā)明的第四方面，本發(fā)明提出了一種鋁空氣電池。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該鋁空氣電池包括：本體，所述本體中限定出反應(yīng)空間；前面所述的空氣電極；以及陽(yáng)極，所述陽(yáng)極設(shè)置在所述本體內(nèi)部并與所述空氣電極電連接。該空氣電池具有成本低廉、電極制備簡(jiǎn)便、電池性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)的至少之一。

附圖說(shuō)明

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的空氣電極的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的空氣電極的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的鋁空氣電池的結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的鋁空氣電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記：

10：催化劑層

20：擴(kuò)散層

30：集電層

100：本體

200：空氣電極

300：陽(yáng)極

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提出了一種空氣電極。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參考圖1，該空氣電極包括：催化劑層10、擴(kuò)散層20以及集電層30。催化劑層10設(shè)置在擴(kuò)散層20的一側(cè)，催化劑層包括碳納米管以及催化劑且不含有粘結(jié)劑。集電層30設(shè)置在催化劑層10遠(yuǎn)離擴(kuò)散層20的一側(cè)，或參考圖2，集電層30設(shè)置在催化劑層10以及擴(kuò)散層20之間。發(fā)明人經(jīng)過(guò)深入研究以及大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該空氣電極由于催化劑層采用了具有較高電化學(xué)活性以及比表面積的碳納米管，且避免了在催化劑層中引入粘結(jié)劑，因此具有催化活性較高、電化學(xué)性能穩(wěn)定、制備簡(jiǎn)單、電極導(dǎo)電性能良好等優(yōu)點(diǎn)的至少之一。

需要說(shuō)明的是，該空氣電極用于利用空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，在實(shí)際使用時(shí)，需要保證擴(kuò)散層20能夠接觸空氣。也即是說(shuō)，該空氣電極的擴(kuò)散層20需要設(shè)置在該空氣電極的外側(cè)，而不能設(shè)置在集電層30以及催化劑層10之間。上述擴(kuò)散層20以及集電層30的具體種類不受特別限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用熟悉的空氣電極集電層材料以及擴(kuò)散層材料，形成上述集電層以及擴(kuò)散層。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在催化劑層10中，所采用的碳納米管的長(zhǎng)徑比500:1～3000:1。發(fā)明人經(jīng)過(guò)深入研究以及大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用長(zhǎng)徑比在上述范圍內(nèi)的碳納米管時(shí)，可以在不引入粘結(jié)劑的條件下，通過(guò)諸如簡(jiǎn)單的輥壓成型處理形成催化劑層。發(fā)明人經(jīng)過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，目前的空氣電極在制備過(guò)程中，需要進(jìn)行多次反復(fù)輥壓成型處理的重要原因之一，即催化劑層的催化劑材料多為沒(méi)有粘性的粉體材料。因此，需要將上述催化劑層材料與粘結(jié)劑混合，并經(jīng)過(guò)多次輥壓處理，實(shí)現(xiàn)粘結(jié)劑與催化劑材料的充分混合，并壓制成型。上述過(guò)程操作步驟繁瑣，且不利于大規(guī)模生產(chǎn)，而粘結(jié)劑材料多為電子的絕緣體，因此粘結(jié)劑的引入對(duì)最終形成的空氣電極的電極性能也具有負(fù)面影響。而當(dāng)采用長(zhǎng)徑比在500:1～3000:1范圍內(nèi)的碳納米管作為催化劑層的主要材料時(shí)，可以利用具有上述長(zhǎng)徑比的碳納米管自身具有一定的吸附能力以及碳納米管之間容易團(tuán)聚、糾纏的特點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)單的一次輥壓處理，即可形成由碳納米管構(gòu)成的具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米紙。由于碳納米管自身具有良好的導(dǎo)電性能、催化性能，并且比表面積較大，因此，上述碳納米紙具有良好的導(dǎo)電性、催化劑吸附性能，因此適于用于制備空氣電極中的催化劑層。發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)利用碳納米管通過(guò)諸如一次輥壓成型等簡(jiǎn)便的處理方法形成碳納米紙，需要對(duì)碳納米管的長(zhǎng)徑比進(jìn)行控制。當(dāng)碳納米管的長(zhǎng)徑比過(guò)小時(shí)，很難通過(guò)一次輥壓成型形成互相糾纏的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此制備出的碳納米紙成型效果較差，且導(dǎo)電性能以及均勻性也難以保障。當(dāng)碳納米管的長(zhǎng)徑比過(guò)大時(shí)，不僅將大幅提高制備該空氣電極的原料成本，并且由于碳納米管的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，為了保證碳納米管在滾壓成型之前能夠均勻的分散，需要引入大量的分散劑，從而也將影響最終形成的空氣電極的電學(xué)性能。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，為了進(jìn)一步提高該空氣電極的電極性能，碳納米管在進(jìn)行上述一次輥壓成型處理之前，可以預(yù)先在碳納米管表面負(fù)載催化劑。由此，可以提高催化劑層負(fù)載催化劑的量以及催化劑負(fù)載的均勻程度，從而可以進(jìn)一步提高該空氣電極的電極性能。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上述催化劑可以為空氣電池常用的催化劑，例如，可以為金屬或是金屬氧化物。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，上述催化劑可以為諸如Mn元素等具有催化功能的金屬元素的氧化物。由此，可以簡(jiǎn)便地通過(guò)將碳納米管與上述金屬的水溶性鹽溶液進(jìn)行混合、陳化，在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)便的焙燒處理，即可在碳納米管表面形成由上述金屬元素氧化而形成的金屬氧化物，從而實(shí)現(xiàn)催化劑的負(fù)載。對(duì)負(fù)載有催化劑的碳納米管進(jìn)行一次輥壓成型處理，即可獲得根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的催化劑層。

在本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提出了一種制備前面所述的空氣電極的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：

制備催化劑層

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在該步驟中，利用碳納米管以及催化劑制備形成催化劑層，且制備催化劑層的過(guò)程中，不引入粘結(jié)劑。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，在該步驟中，利用具有一定長(zhǎng)徑比的碳納米管，通過(guò)一次輥壓成型處理，形成碳納米紙。催化劑可以是在形成碳納米紙之后，再將催化劑負(fù)載在碳納米紙上；或者，也可以在輥壓形成碳納米紙之前，預(yù)先將催化劑負(fù)載在碳納米管上，然后通過(guò)一次輥壓成型處理，即可形成催化劑層。由此，可以進(jìn)一步提高催化劑負(fù)載的均勻程度，有利于進(jìn)一步提高獲得的空氣電極的電極性能。

如前所述，發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳納米管的長(zhǎng)徑比對(duì)于一次輥壓成型處理的處理效果具有重要影響。當(dāng)采用長(zhǎng)徑比在500:1～3000:1范圍內(nèi)的碳納米管作為催化劑層的主要材料時(shí)，可以利用具有上述長(zhǎng)徑比的碳納米管自身具有一定的吸附能力以及碳納米管之間容易團(tuán)聚、糾纏的特點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)單的一次輥壓處理，即可形成由碳納米管構(gòu)成的具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米紙。由于碳納米管自身具有良好的導(dǎo)電性能、催化性能，并且比表面積較大，因此，上述碳納米紙具有良好的導(dǎo)電性、催化劑吸附性能，因此適于用于制備空氣電極中的催化劑層。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，一次輥壓成型處理是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的：首先，將碳納米管與乙醇以及分散劑混合以便獲得混合液。對(duì)混合液進(jìn)行抽濾處理，保留抽濾的濾渣并烘干。隨后，將烘干處理之后獲得的固體進(jìn)行輥壓處理。由此，可以進(jìn)一步提高一次輥壓成型處理的效果。碳納米管在乙醇溶液中具有較好的分散性，且乙醇分子量較小，可以通過(guò)后續(xù)烘干處理除去，不會(huì)由于溶劑的殘留而對(duì)催化劑層的性能造成影響。分散劑可以為本領(lǐng)域常用的碳納米管分散劑，從而可以防止碳納米管在溶液中分散不均勻或是出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致輥壓處理后形成的催化劑層中，碳納米管分布不均勻。例如，可以采用聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡絡(luò)烷酮等。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，催化劑可以是在碳納米管經(jīng)過(guò)上述一次輥壓成型處理形成碳納米紙之后，再負(fù)載在碳納米紙上；或者，可以首先將碳納米管表面負(fù)載催化劑，然后再進(jìn)行上述一次輥壓成型處理，以便實(shí)現(xiàn)催化劑層的制備。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，催化劑層可以是由以下步驟制備獲得的：將碳納米管與乙醇按照液固比為3:1～10:1的比例混合然后通過(guò)焙燒處理，即可在碳納米管表面實(shí)現(xiàn)催化劑(金屬氧化物)的負(fù)載。當(dāng)碳納米管與乙醇溶液的固液比在上述范圍內(nèi)時(shí)，可以保證形成的混合溶液中碳納米管的含量適中，既不會(huì)由于碳納米管含量過(guò)低，而影響輥壓成型的效果，也不會(huì)由于碳納米管含量過(guò)高，而需要引入大量分散劑防止碳納米管聚集。隨后，在混合液中加入用于形成催化劑的金屬鹽溶液，例如，可以在混合液中加入硝酸錳溶液，加入的溶液中硝酸錳的質(zhì)量與碳納米管的質(zhì)量比可以為1:5～2:1。發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硝酸錳質(zhì)量過(guò)小時(shí)，錳氧化物催化劑的負(fù)載量不理想，最終形成的空氣電極難以獲得好的催化性能；而加入的硝酸錳質(zhì)量過(guò)大時(shí)，則由于生成了過(guò)多的金屬氧化物，進(jìn)而影響輥壓成型處理的成型效果，且將大幅降低空氣電極的電學(xué)性能。為了進(jìn)一步提高催化劑負(fù)載的效率以及效果，還可以加入一定量的蒸餾水進(jìn)行分散。例如，可以按照蒸餾水與乙醇的質(zhì)量比為1:10～1:5的比例加入蒸餾水，超聲分散5～30min，以便獲得分散液。上述分散液在室溫條件下靜置陳化1-10h，隨后在50-100攝氏度的溫度下烘干，即可以獲得催化劑固體原料。烘干的時(shí)間可以為2-5h。將催化劑固體原料進(jìn)行焙燒處理、研磨處理，即可獲得粉狀催化劑材料。焙燒處理可以在惰性氣氛的密閉空間中進(jìn)，焙燒溫度可以為200-500攝氏度，時(shí)間為2-10h。隨后將粉狀催化劑材料與乙醇按照液固比為3:1-10:1進(jìn)行混合攪拌，隨后加入分散劑進(jìn)行攪拌分散，分散劑與粉狀催化劑材料的質(zhì)量比可以為0.1％-1.0％，進(jìn)行10-60min的分散(如，超聲分散)。隨后，依照前面描述的一次輥壓成型處理的操作步驟進(jìn)行處理，即可簡(jiǎn)便地獲得催化劑層。

壓合處理

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在該步驟中，將前面制備的催化劑層與擴(kuò)散層以及集電層進(jìn)行壓合處理，以便獲得所述空氣電極。該方法操作步驟簡(jiǎn)單，制備周期短，生產(chǎn)成本低廉，有利于空氣電極的推廣以及應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，壓合處理的具體操作參數(shù)不受特別限制，只要可以將上述三層結(jié)構(gòu)(催化劑層、擴(kuò)散層以及集電層)，按照前面描述的空氣電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊放，并壓合成型即可。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，可以采用壓片機(jī)，在5～30MPa的條件下進(jìn)行壓合處理，壓合時(shí)間可以為30～300秒。

在本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提出了一種制備空氣電極的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：

(1)將碳納米管與乙醇按照液固比為3:1～10:1的比例混合后，按照硝酸錳與碳納米管的質(zhì)量比為1:5～2:1的比例，在碳納米管與乙醇的混合液中加入硝酸錳溶液。按照蒸餾水與乙醇的質(zhì)量比為1:10～1:5的比例加入蒸餾水，超聲分散5～30min以便獲得分散液。其中，碳納米管的長(zhǎng)徑比為500:1～3000:1

(2)將上述分散液在室溫條件下靜置陳化1-10h。

(3)將經(jīng)過(guò)陳化的分散液在50-100攝氏度的溫度下烘干，以便獲得催化劑固體原料。烘干的時(shí)間為2-5h。

(4)將催化劑固體原料裝入密閉氣氛爐中進(jìn)行焙燒處理，焙燒處理在惰性氣體(氮?dú)饣驓鍤?氣氛下，200-500℃的溫度下進(jìn)行，焙燒時(shí)間為2-10h。將經(jīng)過(guò)焙燒處理的催化劑固體原料進(jìn)行研磨處理，以便得到粉狀催化劑材料。

(5)將粉狀催化劑材料與乙醇按照液固比為3:1-10:1進(jìn)行混合攪拌，隨后加入分散劑進(jìn)行攪拌分散，分散時(shí)間10-60min。分散劑與粉狀催化劑材料的質(zhì)量比為0.1％-1.0％。

(6)對(duì)上述混合物依次進(jìn)行抽濾、烘干、以及輥壓處理后，得到催化劑層。

(7)將所述催化劑層與擴(kuò)散層、集電層在壓片機(jī)下進(jìn)行壓合，壓合的壓力為5-30MPa，壓合時(shí)間30-300s。由此，可以獲得空氣電極。該方法操作步驟簡(jiǎn)單，制備周期短，生產(chǎn)成本低廉，有利于空氣電極的推廣以及應(yīng)用。

在本發(fā)明的第四方面，本發(fā)明提出了一種鋁空氣電池。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參考圖3，該鋁空氣電池包括：本體100、空氣電極200以及陽(yáng)極300，本體100中限定出反應(yīng)空間，空氣電極200為前面描述的空氣電極，空氣電極200設(shè)置在本體100內(nèi)部，且空氣電極200中的擴(kuò)散層(圖中未示出)與空氣接觸；陽(yáng)極300設(shè)置在本體100內(nèi)部并與空氣電極200電連接。該空氣電池具有成本低廉、電極制備簡(jiǎn)便、電池性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)的至少之一。

需要說(shuō)明的是，圖3所示出的電極(空氣電極200以及陽(yáng)極300)設(shè)置方式僅為示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，空氣電極200以及陽(yáng)極300只要設(shè)置在本體100內(nèi)部、互相電連接以形成導(dǎo)電回路，且空氣電極200的擴(kuò)散層可以與空氣接觸，以便利用氧氣進(jìn)行反應(yīng)即可。空氣電極就200以及陽(yáng)極300的具體設(shè)置方式以及位置不受特別限制。例如，參考圖4，空氣電極就200以及陽(yáng)極300還可以垂直地設(shè)置在本體100內(nèi)部，空氣電極200的擴(kuò)散層設(shè)置在本體100的側(cè)壁處，以便接觸空氣。

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，需要說(shuō)明的是，下面的具體實(shí)施例僅僅是用于說(shuō)明的目的，而不以任何方式限制本發(fā)明的范圍，另外，如無(wú)特殊說(shuō)明，則未具體記載條件或者步驟的方法均為常規(guī)方法，所采用的試劑和材料均可從商業(yè)途徑獲得。

實(shí)施例1

(1)將乙醇與碳納米管按照液固比為10:1的比例混合后，按照硝酸錳與碳納米管的質(zhì)量比為2:5的比例，在碳納米管與乙醇的混合液中加入硝酸錳溶液。按照蒸餾水與乙醇的質(zhì)量比為1:5的比例加入蒸餾水，超聲分散30min以便獲得分散液。其中，碳納米管的長(zhǎng)徑比為3000:1

(2)將上述分散液在室溫條件下靜置陳化10h。

(3)將經(jīng)過(guò)陳化的分散液在70攝氏度的溫度下烘干，以便獲得催化劑固體原料。烘干的時(shí)間為5h。

(4)將催化劑固體原料裝入密閉氣氛爐中進(jìn)行焙燒處理，焙燒處理在氮?dú)鈿夥障拢?00℃的溫度下進(jìn)行，焙燒時(shí)間為10h。將經(jīng)過(guò)焙燒處理的催化劑固體原料進(jìn)行研磨處理，以便得到粉狀催化劑材料。

(5)將粉狀催化劑材料與乙醇按照液固比為10:1進(jìn)行混合攪拌，隨后加入聚乙二醇作為分散劑進(jìn)行攪拌分散，分散時(shí)間60min。分散劑與粉狀催化劑材料的質(zhì)量比為1.0％。

(6)對(duì)上述混合物依次進(jìn)行抽濾、烘干、以及輥壓處理后，得到催化劑層。

(7)將所述催化劑層與擴(kuò)散層、集電層在壓片機(jī)下進(jìn)行壓合，壓合的壓力為30MPa，壓合時(shí)間30s。由此，可以獲得空氣電極。

(8)將上述空氣電極按照?qǐng)D3所示結(jié)構(gòu)組裝成鋁空氣電池進(jìn)行放電性能測(cè)試，鋁板采用含量99.99％的高純鋁，電解液采用6mol/L的KOH溶液，測(cè)試在常溫下進(jìn)行，放電的功率密度能夠達(dá)到400mW/cm²。

實(shí)施例2

(1)將乙醇與碳納米管按照液固比為5:1的比例混合后，按照硝酸錳與碳納米管的質(zhì)量比為1:5的比例，在碳納米管與乙醇的混合液中加入硝酸錳溶液。按照蒸餾水與乙醇的質(zhì)量比為2:5的比例加入蒸餾水，超聲分散10min以便獲得分散液。其中，碳納米管的長(zhǎng)徑比為500:1

(2)將上述分散液在室溫條件下靜置陳化2h。

(3)將經(jīng)過(guò)陳化的分散液在100攝氏度的溫度下烘干，以便獲得催化劑固體原料。烘干的時(shí)間為3h。

(4)將催化劑固體原料裝入密閉氣氛爐中進(jìn)行焙燒處理，焙燒處理在氬氣氣氛下，500℃的溫度下進(jìn)行，焙燒時(shí)間為2h。將經(jīng)過(guò)焙燒處理的催化劑固體原料進(jìn)行研磨處理，以便得到粉狀催化劑材料。

(5)將粉狀催化劑材料與乙醇按照液固比為5:1進(jìn)行混合攪拌，隨后加入聚乙烯吡絡(luò)烷酮作為分散劑進(jìn)行攪拌分散，分散時(shí)間30min。分散劑與粉狀催化劑材料的質(zhì)量比為0.1％。

(6)對(duì)上述混合物依次進(jìn)行抽濾、烘干、以及輥壓處理后，得到催化劑層。

(7)將所述催化劑層與擴(kuò)散層、集電層在壓片機(jī)下進(jìn)行壓合，壓合的壓力為15MPa，壓合時(shí)間300s。由此，可以獲得空氣電極。

(8)將上述空氣電極按照?qǐng)D4所示結(jié)構(gòu)組裝成鋁空氣電池進(jìn)行放電性能測(cè)試，鋁板采用含量99.99％的高純鋁，電解液采用6mol/L的KOH溶液，測(cè)試在常溫下進(jìn)行，放電的功率密度能夠達(dá)到300mW/cm²。

在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。