铝空电池空气电极复合工艺研究

李卫民，隋 鑫，徐春波



铝空电池空气电极复合工艺研究

李卫民1，隋 鑫2，徐春波2

（1. 海军驻昆明地区军事代表办事处，昆明 650031；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

铝空电池空气电极通常由催化层、气体扩散层和空气电极三部分组成。当催化层和气体扩散层制备工艺确定的条件下，空气电极复合工艺对电极性能也有很大的影响。本文分别从复合压强、复合方式和集流体三个方面，对空气电池复合工艺进行了试验分析。结果表明：复合压强数值为200 kgN/cm2，复合方式为室温下冷压，集流体为镍网时，空气电极电催化活性最大。

空气电极 复合工艺 复合压强 复合方式 集流体

0 引言

燃料电池(Fuel Cell)是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有环境污染少、能量转换效率高等特点，受到广泛关注。

铝-空气电池（Aluminum-air battery）是一种特殊的燃料电池，以铝或铝合金燃料替代传统氢燃料作为负极活性物质，以氧气作为正极活性物质，电解液则多采用碱性溶液或中性溶液[1]。由于使用固体燃料替代氢燃料，铝-空气电池具有储存方便、能量密度高、成本低廉和使用安全等独特优势，被称为“面向21世纪的绿色能源”[2]。金属铝是除了锂之外，电化学当量最高的金属材料，是一种理想的电极材料，同时我国又拥有丰富的金属铝储量，具备研究开发的资源条件，因此，铝-空气电池具有十分广阔的应用前景。

本文主要对空气电极复合工艺进行研究，通过阴极极化曲线测试，对空气电极复合过程中的复合压强、复合方式以及集流体选择等因素进行了分析，优化了空气电极复合工艺。

1 试验

1.1 复合压强对空气电极性能的影响

复合压强的大小在某种程度上会影响空气电极电催化活性[3]。分别在压强为45 kgN/cm2、60 kgN/cm2、80 kgN/cm2、150 kgN/cm2和200 kgN/cm2的条件下，将气体扩散层、集流体和催化层复合成空气电极，测试其阴极极化曲线，测试结果如图1所示。从图1可以看出，随着极化电位的负移，空气电极的电流密度均不断增加，并且空气电极的极化随着复合压强的增加而不断减小。当极化电位等于-0.4 V时，复合压强为45 kgN/cm2的空气电极电流密度仅为33.25 mA/cm2。当复合压强增加至60 kgN/cm2时，空气电极电流密度增加至39.58 mA/cm2。当复合压强继续增加至80 kgN/cm2时，空气电极电流密度为40.12 mA/cm2。当复合压强等于150 kgN/cm2时，空气电极电流密度达到46.10 mA/cm2。当复合压强等于200 kgN/cm2时，空气电极电流密度高达50.56 mA/cm2。复合压强为45 kgN/cm2的空气电极和复合压强为200 kgN/cm2的空气电极相比，在电极电位等于-0.2 V时前者的电流密度为后者的60%。因此，可以认为，复合压强为200 kgN/cm2的空气电极电催化活性最大。

图1 不同复合压强下空气电极的阴极极化曲线

这可能是随着空气电极复合压强的增加，催化层、集流体和气体扩散层之间结合更加紧密，有利于外电路中的电子及时通过集流体转移到催化层三相界面处，加快电极反应。另一方面，随着复合压强越大，气体扩散层和催化层相对更薄，缩短了氧气的扩散路径，提高了三相界面处氧气浓度，提高了空气电极电催化活性。由于200 kgN/cm2接近实验室用油压热压机的量程，本文将空气电极复合压强设定为200 kgN/cm2。

1.2 复合方式对空气电极性能的影响

空气电极常见的复合方式有冷压和热压两种[2]。为了研究复合方式对空气电极电催化活性的影响，分别在室温下和温度为180℃的条件下复合空气电极，测试其阴极极化曲线，测试结果如图2所示。从图2中可以看出，随着极化电位的负移，空气电极的电流密度均不断增加，并且热压后的空气电极极化远远大于冷压后的空气电极。当极化电位等于-0.1 V时，热压后的空气电极电流密度为4.92 mA/cm2，冷压后的空气电极电流密度为25.30 mA/cm2，后者为约为前者的5倍。当极化电位等于-0.2 V时，热压后的空气电极电流密度为14.69 mA/cm2，冷压后的空气电极电流密度为54.51 mA/cm2，后者为约为前者的4倍。根据以上分析，冷压后的空气电极和热压后的空气电极相比较，其电催化活性远远大于后者。可以认为，热压后的空气电极中气体扩散层、集流体和催化层之间的结合力会大大提高。然而，热压后的空气电极电催化活性却明显降低，这可能是因为在高温高压条件下，气体扩散层和催化层表面甚至内部的孔隙坍塌，被周围物质填充，造成了气体扩散通道的封闭以及三相界面中气孔和液孔的消失，从而导致氧气扩散困难和三相界面数目减少，空气电极电催化活性会大幅降低。

图2 不同复合方式下空气电极的阴极极化曲线

1.3 集流体对空气电极性能的影响

集流体作为空气电极重要的组成部分，一方面起到骨架支撑作用，使空气电极具备一定的机械强度，另一方面起到电子传递作用，使空气电极和外电路有效连接起来[3]。选择合适的集流体对提高空气电极性能至关重要。

图3为不同集流体的空气电极阴极极化曲线。从图3中可以看出，空气电极电流密度均随极化电位的负移而增加。在极化电位等于-0.1 V时，集流体是不锈钢网的空气电极电流密度为25.32 mA/cm2。当泡沫镍和镍网作为集流体时，空气电极电流密度依次为21.53 mA/cm2和25.02 mA/cm2。集流体为不锈钢网的空气电极电流密度略大于后两者。在极化电位等于-0.2 V时，集流体为不锈钢网的空气电极电流密度仅为48.63 mA/cm2。当泡沫镍和镍网作为集流体时，空气电极电流密度依次为55.38 mA/cm2和60.81 mA/cm2。集流体为不锈钢网的空气电极电流密度明显小于后两者。集流体为泡沫镍的空气电极和集流体为镍网的空气电极相比，前者的电催化活性略大于后者。可以认为，这是由于集流体电阻率的不同造成的。由于空气电极在铝-空气电池中的电极电位一般处于-0.2 V至-0.4 V之间，因此镍网作为空气电极集流体最为合适。

2 结论

本文根据空气电极的电催化活性，对空气电极的复合工艺进行了初步探讨，得到以下点结论：

1）空气电极电催化活性随着复合压强的增加而增加，由于油压热压机量程的限制，空气电极复合压力以200 kgN/cm2为最佳。

2）热压后的空气电极电催化活性大大降低，因此选择室温下冷压作为空气电极的复合方式。

3）不锈钢网、泡沫镍和镍网相比，镍网更适合作为空气电极的集流体。

图3 不同集流体的空气电极阴极极化曲线

[1] 房振乾, 刘文西, 陈玉如. 铝空气燃料电池的研究进展[J]. 兵器材料科学与工程, 2003.

[2] 鞠克江, 刘长瑞, 唐长斌等. 铝空气电池的研究进展及应用前景[J]. 电池, 2009.

[3] 王力臻. 化学电源设计[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.

Technical Research on Air Electrode Composite Process of Al-air Battery

Li Weimin1, Sui Xin2, Xu Chunbo2

(1. Naval office in Kunming, Kunming 650031, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430063, China)

TM911.41

A

1003-4862（2018）08-0048-03

2018-04-10

李卫民（1973-），男，高级工程师。专业方向：水中兵器。E-mail: svensui@hotmail.com