活性层必须提供催化三相反应位点，而气体扩散层必须提供受控的氧气进入通道，同时防止电解液淹没电极。 在双功能空气电极中，活性层面向电解液，在放电过程中支持氧还原，在充电过程中支持氧析出。气体扩散层面向空气供应侧，必须保持导电、多孔、疏水和机械稳定。
这两层不应采用相同的设计。活性层需要受控的电解液润湿和较高的催化剂利用率，而气体扩散层则需要更强的疏水性、相互连通的气体通道以及可靠的电解液阻隔能力。
两层如何分工
活性层必须接触电解液
活性层（AL）是面向电解液的功能层。它应包含均匀分布的氧还原和氧析出催化剂、导电剂以及粘结剂。
该层必须同时支持电子、氧气和电解液的传输。这种三相界面至关重要，因为氧气必须到达催化剂，离子必须到达反应位点，而电子必须通过导电网络传输。
气体扩散层必须面向空气
气体扩散层（GDL）是面向空气的层。其主要功能是将氧气分布到整个电极，提供电子传导路径，并防止电解液通过气体孔隙逸出。
气体扩散层应比活性层具有更强的疏水性。这种差异形成了实际的润湿梯度：活性层保持足够润湿，以支持电化学反应，而气体扩散层则阻止电解液侵入。
活性层的结构要求
需要均匀的组成
催化剂、导电剂和粘结剂必须在整个活性层中均匀混合。分布不均可能造成电隔离的催化剂区域、孔隙堵塞、结构薄弱区域以及不一致的反应速率。
典型的导电材料包括炭黑和碳纳米管。在水系金属-空气体系中，粘结剂通常采用PTFE，必须在保持结构完整的同时，避免过度覆盖催化剂或孔隙表面，从而限制反应物的接触。
必须同时支持ORR和OER
双功能活性层必须在两种运行方向下都保持有效：
- 放电过程中的ORR：空气电极处发生氧还原。
- 充电过程中的OER：氧气从电极中析出。
因此，催化剂体系需要在还原和氧化条件下都具备化学稳定性和结构稳定性。仅针对ORR或仅针对OER优化的催化剂配方不足以用于可充电电极。
必须具备部分润湿性
活性层不应完全疏水，也不应完全被电解液淹没。需要部分润湿，以建立稳定的催化剂、氧气和电解液界面。
润湿不足会限制离子传输并降低催化剂利用率。润湿过度则会使电解液充满孔隙，限制氧气传输并增加浓差极化。
需要相互连通的孔隙网络
活性层应具有足够的表面积和连通的孔隙分布，并在适当情况下包含介孔通道。较高的表面积可以增加可接触的催化位点数量，而合适的孔体积则可为氧气传输和固体放电产物提供空间。
孔结构还必须能够承受循环过程中的变化。根据电池化学体系的不同，放电产物如超氧化钠或过氧化钠可能堵塞孔隙并改变局部润湿状态。
必须保持电子导电性
导电剂应从催化剂位点到集流体形成连续网络。因此，该层需要足够的导电材料和压实程度以降低电子电阻，但压实程度不能过高，否则会导致气体通道塌陷。
活性层通常由金属集流体支撑或与其粘结，例如镍网或镍筛。该集流体可以改善电流分布并提供机械支撑。
气体扩散层的结构要求
必须具有较强的疏水性
气体扩散层通常将导电碳与PTFE或其他疏水性粘结剂结合使用。其疏水性有助于防止电解液淹没、泄漏以及气体渗透性下降。
气体扩散层还必须避免活性区域过度干燥。其作用是控制电解液，而不是将电极与所有水分完全隔绝。
需要连续的气体通道
面向空气的层必须包含相互连通的孔隙，使氧气能够从大气快速移动至活性层。孔隙网络应提供较高的渗透性，同时避免形成过大且难以控制的通道，因为这类通道可能导致电解液泄漏。
因此，优良的气体扩散层需要在孔径、孔体积、曲折度和疏水性之间取得平衡。这些性质比单纯最大化总孔隙率更为重要。
必须保持电子传导
气体扩散层中的碳相既提供气体层导电性，也提供通往集流体的路径。疏水性粘结剂必须充分分布，以固定碳结构，同时不能中断导电接触。
可以将金属网或金属筛层压在多孔结构内部或邻近位置，以降低集流电阻并提高尺寸稳定性。
必须抵抗电解液渗透
气体扩散层必须承受电池运行期间存在的毛细力和静水压力。需要稳定的疏水孔结构，以防止电解液穿过电极并向空气侧渗透。
当电池经历压力变化、气体析出、机械冲击或长时间循环时，这一要求会更加严格。
两层应如何连接
界面必须具有较低的电阻
AL-GDL界面应保持足够连续，以提供良好的电子接触和牢固的粘附。空隙、分层或粘结不良区域可能造成局部电流密度升高并加速 degradation。
界面不应被密封得过于致密，否则会阻碍氧气传输，或妨碍电解液适当进入活性层。
必须控制压合过程
热压、辊压或平压可以改善层间粘附、厚度均匀性以及与集流体的接触。然而，压力过大可能压塌孔隙网络、降低气体渗透性，并迫使粘结剂进入活性反应位点。
压力不足会导致粘结不牢、界面电阻升高，并在析氧过程中发生分层。因此，压合过程必须在建立机械完整性的同时，保持设计所需的孔隙率。
结构必须承受氧气析出
充电过程中，OER可能在多孔电极内部产生局部气体压力。层压结构、集流体和层间粘结必须能够承受这种压力，避免出现开裂或分离。
因此，制造质量会直接影响长期过电位和循环寿命。化学活性高的催化剂无法弥补机械不稳定或连接不良的电极。
关键制造控制要点
浆料混合必须均匀
在涂覆之前，应使催化剂、碳、粘结剂和工艺添加剂均匀分散。混合差异会改变局部粘结剂含量、孔结构、催化剂负载量和润湿行为。
AL和GDL可能需要采用不同的配方，因为它们对亲水性、孔隙率和机械性能的要求不同。
涂覆必须控制厚度和负载量
均匀涂覆对于避免催化剂过量、催化剂不足或孔隙堵塞区域十分必要。厚度应经过选择，在提供足够催化能力的同时，避免形成不必要的过长氧气和离子传输路径。
对于层压设计，应在沉积和压实过程中控制电极总厚度以及各层厚度。适当数值取决于电池化学体系、电流密度和电池结构。
干燥和热处理必须保持孔结构
干燥过程会去除工艺溶剂并固化粘结剂网络。热处理可以改善PTFE分布和机械强度，但温度过高或收缩失控可能损坏多孔结构。
应通过检查层间粘附性、厚度、导电性、润湿性和气体渗透性来验证工艺，而不能仅依赖名义配方比例。
了解其中的权衡关系
增加PTFE可改善防水性，但可能降低反应物接触
较高的PTFE含量通常会提高疏水性和抗淹没能力，这对GDL很有帮助。然而，粘结剂过多会降低可接触表面积、阻断电子接触并限制氧气传输。
活性层通常需要比GDL更少的PTFE。AL中约10-30%的PTFE和GDL中约30-70%的PTFE可作为开发起始范围，但这些数值并非通用规格。
提高压实程度可增强强度，但可能限制传输
压合可以降低接触电阻并提高机械稳定性。然而，过度压实会压塌孔隙并增加曲折度，从而提高ORR和OER过程中的传输阻力。
因此，正确的结构并不是最致密的结构，而是在保持足够接触和强度的同时，保留相互连通的气体和电解液通道。
增加表面积可以提高容量，但也可能加剧堵塞
高比表面积碳材料或催化剂载体可以提高催化剂利用率，但也可能形成更细小的孔结构，更容易受到放电产物或电解液堵塞。
孔径分布必须与预期放电产物、工作电流和电解液相匹配。仅有高比表面积并不足以作为设计标准。
更复杂的多层结构会增加控制要求
一些电极采用额外的催化层或过渡层，例如分别面向ORR和OER的区域。这些结构可以改善功能分离，但每增加一个界面，就会引入潜在的粘附、阻力和制造问题。
当两层AL-GDL结构能够满足所需的反应和传输目标时，它就是合适的选择。只有在额外层具有明确且合理的独立功能时，才应增加更多层，以证明额外制造复杂性的必要性。
如何应用于您的项目
最终设计应作为一个耦合的机械、电化学和气体传输结构进行验证。
- 如果您的重点是稳定的双功能循环：采用均匀、部分可润湿的催化活性层和牢固粘结的疏水GDL，然后优化压合工艺，使其能够承受析氧压力，同时避免孔隙塌陷。
- 如果您的重点是高放电和充电倍率性能：优先确保连续的电子传导、相互连通的介孔通道、受控的催化剂负载量，以及能够同时保持氧气进入和离子接触的润湿梯度。
- 如果您的重点是防止淹没和电解液泄漏：提高GDL的疏水性，并验证气体渗透性、接触角和耐压性能，同时确保活性层保持足够润湿。
- 如果您的重点是实现可重复的实验室制造：分别控制AL和GDL的浆料分散、涂覆厚度、干燥、热处理和压实过程，然后在组装后测试粘附性和界面电阻。
成功的双功能空气电极是一种经过精心设计的梯度结构：电解液侧保持润湿并具有催化可接触性，空气侧保持干燥且具备气体渗透性，同时整个结构保持机械连续。
总结表：
| 特性 | 活性层（AL） | 气体扩散层（GDL） |
|---|---|---|
| 主要功能 | 催化反应（ORR/OER） | 气体分布和电解液阻隔 |
| 润湿性 | 部分可润湿（受控） | 强疏水性 |
| 孔结构 | 用于离子/氧气传输的相互连通介孔 | 具有高渗透性的相互连通气体通道 |
| 导电性 | 连接催化剂位点的连续电子网络 | 连接集流体的导电碳网络 |
| PTFE含量 | 10-30%（较低，以保持反应物接触） | 30-70%（较高，用于防水） |
| 厚度/负载量 | 根据催化能力进行控制 | 根据气体扩散和强度进行控制 |
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