CN105244565B - 一种可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锌空气电池技术领域，具体为一种可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池及其制备方法。本发明首先制备PVA/PEO/KOH水凝胶电解液，然后将电解液包覆于负极的锌弹簧并交联成固态后在RuO2乙醇悬浮液中沾涂得到氧析出催化层，最后将交错的取向碳纳米管膜裹在最外层，得到一种线状的锌空气电池。该锌空气电池相比于传统电池具有全新的结构，特殊的空气电极结构不需要金属集流体和粘结剂，减轻了电池的重量和体积，从而提高了电池的能量密度和功率密度，是能源器件领域的重要创新；同时，该电池具有良好的柔性和拉伸性，其电解液为固态，可有效防止弯曲拉伸过程中短路以及电解液泄漏的危险，电池易于编织和集成，因而对于可穿戴器件供能具有良好的应用前景。

Description

一种可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锌空气电池技术领域，具体涉及一种可充电线状锌空气电池及其制备方法。
背景技术
具有可拉伸弯曲能力的便携可穿戴器件是一个新兴的、有前景的领域，在智能服装、智能手环和可折叠手机等领域已被广泛研究。[1-6]柔性的锂离子电池和超级电容器均已被研究用于柔性可穿戴器件的供能，然而有限的能量密度限制了它们的应用。[7-9]锌空气电池是一类具有较高体积能量密度的能源器件，适合为电子设备提供长时间连续供能，同时锌空气电池的工艺较为成熟，生产成本低以及环境污染小，适宜大规模商业化生产。[10-11]然而传统的锌空气电池都受限于刚性平面的结构且不可充电，并不适宜作为可穿戴器件的能源器件。[12-14]因此，我们急需实现锌空气电池的可弯曲和可拉伸性能，同时可以反复充电，以满足可穿戴设备的柔性以及供能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池及其制备方法。
本发明提供的可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池，由锌弹簧作为电池负极，在锌弹簧上包裹聚乙烯醇（PVA）/聚环氧乙烷（PEO）/氢氧化钾（KOH）水凝胶作为电解液，沾涂二氧化钌（RuO2）水合物作为氧析出(OER)催化层，最外层包覆交错的取向碳纳米管（CNT）膜作为电池正极空气电极。该线状锌空气电池能够在2 A/g的高电流密度下反复进行充放电，且在弯曲120°达100次、长度拉伸10 %的条件下电池性能不发生显著下降。
本发明提供的线状锌空气电池的制备方法，其具体步骤为：
（1）首先，将PVA/PEO/KOH水凝胶电解液均匀包裹锌弹簧，放入冰箱冰冻交联成固态；
（2）然后，将得到的弹簧沾涂RuO2水合物乙醇悬浮液在凝胶表面形成OER催化层；
（3）最后，将交错铺盖在四氟乙烯（PTFE）板上的取向CNT膜包裹在最外层，即得到线状锌空气电池。
本发明中，交错的取向CNT膜空气电极是由CNT阵列通过干法纺丝得到的。首先把CNT阵列粘在玻璃片上，然后用刀片从阵列边缘拉出连续的CNT膜拉在PTFE板上。将CNT膜逐层以0°-90°（优选10°-75°）的夹角交错平铺于矩形PTFE板上，得到多孔交错的取向CNT膜空气电极。单层CNT膜的面密度为1-5 μg/cm2。以交错的取向CNT膜作为电池正极空气电极中的气体扩散层、催化层与集流体。其中，CNT膜是由取向CNT构成的有序疏松多孔结构。
本发明中，CNT阵列是由化学气相沉积法制备的。CNT阵列高度在200-300μm。CNT取向排列，没有无定型碳的沉积。CNT为多壁结构，管径为10-20 nm。
本发明中，水凝胶电解液由PVA/PEO/KOH组成，将PVA与PEO按比例PVA:PEO=(1-20):1在60-100℃油浴溶解于去离子水中，持续搅拌2-4h，随后加入浓度为10 M-20 M的KOH水溶液，60-100℃油浴继续搅拌0.5-1h，冷却后得到PVA/PEO/KOH凝胶电解液，其各组分质量分数分别为PVA:1%-20%，PEO:0.1%-5%，KOH:1%-20%。
本发明中，PVA/PEO/KOH水凝胶电解液包裹锌弹簧后，放入-10-30℃环境中冰冻1-8h后室温解冻，重复此冰冻解冻过程1-5次进行物理交联。放入0-10℃环境中1-10h进一步增强物理交联。
本发明中，RuO2乙醇悬浮液，由立方晶形RuO2水合物分散在乙醇中得到，浓度为1-10 mg/mL。
本发明方法得到的线状锌空气电池相比于传统电池具有全新的结构，特殊的空气电极结构不需要金属集流体和粘结剂，减轻了电池的重量和体积，从而提高了电池的能量密度和功率密度。同时，该电池具有良好的柔性和可拉伸性，其电解液为固态，可有效防止弯曲拉伸过程中短路以及电解液泄漏的危险，在可穿戴器件供能领域具有良好的前景。
附图说明
图1为该线状锌空气电池的制备流程示意图。
图2为交错的取向CNT薄膜的结构表征。其中，a-d、不同交错角度的取向CNT薄膜的扫描电镜照片。e-f、A、B两种不同的包覆取向CNT薄膜的方法以及制备得到的线状锌空气电池两种不同空气电极结构的示意图。
图3为该线状锌空气电池的电化学性能表征。其中，a-b、A、B两种方法分别得到0°-90°交错角的30层取向CNT薄膜的线状锌空气电池在不同电流密度下的放电曲线。c、90°交错角的具有不同层数的取向CNT薄膜空气电极的线状锌空气电池在不同电流密度下的放电曲线。d、具有30层90°交错角的取向CNT薄膜空气电极的线状锌空气电池在不同电流密度下的一次完全放电。e-f、具有30层90°交错角的取向CNT薄膜空气电极的线状锌空气电池分别在1 A/g与2 A/g电流密度下的循环充放电曲线。以上测试的线状锌空气电池的长度均为1cm。
图4为该线状锌空气电池的柔性与可拉伸性表征。其中，a、弯曲到各种角度的线状锌空气电池的照片。b、长度5 cm的线状锌空气电池在1 A/g的电流密度下弯曲前与弯曲120°达100次的放电曲线对比。c、线状锌空气电池拉伸前与拉伸10%的照片。d、长度10 cm的线状锌空气电池在1 A/g的电流密度下拉伸前与拉伸10%的放电曲线对比。
图5为本发明空气电池图示。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1
（1）CNT阵列是由化学气相沉积法制备：催化剂采用结构形式为硅（Si）/二氧化硅（SiO2）/氧化铝（Al2O3）/铁（Fe）的复合材料，其中Al2O3位于Si片和Fe的中间，作为缓冲层，Fe作为催化剂的活性成份，它们分别通过电子束蒸发镀膜仪在Si片上沉积一层纳米厚度的薄膜制备获得。其中，SiO2层厚度为400μm，Al2O3层厚度为3 nm，Fe层厚度为1.2 nm。将镀有催化剂的Si基底催化剂面向上，用一片较大的SiO2托底承载，放入管式炉的石英管中，靠近管式炉的温度传感装置。调节通气管道流量为:氩气：400sccm氢气：30sccm；乙烯气：90sccm。连接管路。先打开氩气，关闭氢气和乙烯气体。在室温下通气10min，以确保排除管路之中的氧气及水蒸气。打开氢气和乙烯，15 min从室温升至740℃，稳定10 min，待程序开始自行降温时关掉乙烯和氢气。温度降至150℃时打开炉子，取出长在基底上的高度取向的可纺CNT阵列。
（2）交错的取向CNT膜空气电极由CNT阵列制备：首先把宽度为1.5 cm的CNT阵列粘在玻璃片上，然后用刀片从阵列边缘拉出连续的CNT膜拉在PTFE板上。将CNT膜逐层以30°的夹角交错平铺覆盖于宽为1.5 cm长为6 cm的矩形PTFE板上，得到6层多孔交错的取向CNT膜空气电极。单层CNT膜的面密度为1.4μg/cm2。
（3）水凝胶电解液的制备：将1 g PVA与0.1g PEO在95℃油浴溶解于10 mL去离子水中，持续搅拌2h，随后加入1 mL浓度为18 M的KOH水溶液，95℃油浴继续搅拌0.5 h，冷却后得到PVA/PEO/KOH凝胶电解液，其各组分质量分数分别为PVA:8%，PEO:0.8%，KOH: 8%。
（4）线状锌空气电池的组装：将上述PVA/PEO/KOH水凝胶电解液包裹长度为1.5 cm的锌弹簧后，放入-30℃环境中冰冻2h后室温解冻，重复此冰冻解冻过程2次进行物理交联。放入4℃环境中6h进一步增强物理交联。将电解液凝固后的弹簧在浓度为4 mg/mL的RuO2水合物乙醇悬浮液中沾涂于凝胶表面形成OER催化层。最后将弹簧沿着矩形PTFE板上的长度方向滚动利用凝胶的黏性将取向交错的CNT膜包覆在最外层，得到可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池。
实施例2
（1）CNT阵列是由化学气相沉积法制备：催化剂采用结构形式为硅（Si）/二氧化硅（SiO2）/氧化铝（Al2O3）/铁（Fe）的复合材料，其中Al2O3位于Si片和Fe的中间，作为缓冲层，Fe作为催化剂的活性成份，它们分别通过电子束蒸发镀膜仪在Si片上沉积一层纳米厚度的薄膜制备获得。其中，SiO2层厚度为400μm，Al2O3层厚度为3 nm，Fe层厚度为1.2 nm。将镀有催化剂的Si基底催化剂面向上，用一片较大的SiO2托底承载，放入管式炉的石英管中，靠近管式炉的温度传感装置。调节通气管道流量为:氩气：400sccm氢气：30sccm；乙烯气：90sccm。连接管路。先打开氩气，关闭氢气和乙烯气体。在室温下通气8 min，以确保排除管路之中的氧气及水蒸气。打开氢气和乙烯，15 min从室温升至740℃，稳定10 min，待程序开始自行降温时关掉乙烯和氢气。温度降至200℃时打开炉子，取出长在基底上的高度取向的可纺CNT阵列。
（2）交错的取向CNT膜空气电极由CNT阵列制备：首先把宽度为1.5 cm的CNT阵列粘在玻璃片上，然后用刀片从阵列边缘拉出连续的CNT膜拉在PTFE板上。将CNT膜逐层以60°的夹角交错平铺覆盖于宽为5 cm长为6 cm的矩形PTFE板上，得到10层多孔交错的取向CNT膜空气电极。单层CNT膜的面密度为1.4 μg/cm2。
（3）水凝胶电解液的制备：将10 g PVA与1 g PEO在95℃油浴溶解于100 mL去离子水中，持续搅拌2 h，随后加入10 mL浓度为18 M的KOH水溶液，95℃油浴继续搅拌0.5 h，冷却后得到PVA/PEO/KOH凝胶电解液，其各组分质量分数分别为PVA: 8%，PEO:0.8%，KOH:8%。
（4）线状锌空气电池的组装：将上述PVA/PEO/KOH水凝胶电解液包裹长度为5 cm的锌弹簧后，放入-25℃环境中冰冻1 h后室温解冻，重复此冰冻解冻过程3次进行物理交联。放入4℃环境中6 h进一步增强物理交联。将电解液凝固后的弹簧在浓度为4 mg/mL的RuO2水合物乙醇悬浮液中沾涂于凝胶表面形成OER催化层。最后将弹簧沿着矩形PTFE板上的长度方向滚动利用凝胶的黏性将取向交错的CNT膜包覆在最外层，得到可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池。
实施例3
（1）CNT阵列是由化学气相沉积法制备：催化剂采用结构形式为硅（Si）/二氧化硅（SiO2）/氧化铝（Al2O3）/铁（Fe）的复合材料，其中Al2O3位于Si片和Fe的中间，作为缓冲层，Fe作为催化剂的活性成份，它们分别通过电子束蒸发镀膜仪在Si片上沉积一层纳米厚度的薄膜制备获得。其中，SiO2层厚度为400μm，Al2O3层厚度为3 nm，Fe层厚度为1.2 nm。将镀有催化剂的Si基底催化剂面向上，用一片较大的SiO2托底承载，放入管式炉的石英管中，靠近管式炉的温度传感装置。调节通气管道流量为:氩气：400sccm氢气：30sccm；乙烯气：90sccm。连接管路。先打开氩气，关闭氢气和乙烯气体。在室温下通气8 min，以确保排除管路之中的氧气及水蒸气。打开氢气和乙烯，15 min从室温升至740℃，稳定10 min，待程序开始自行降温时关掉乙烯和氢气。温度降至180℃时打开炉子，取出长在基底上的高度取向的可纺CNT阵列。
（2）交错的取向CNT膜空气电极由CNT阵列制备：首先把为1.5 cm的CNT阵列粘在玻璃片上，然后用刀片从阵列边缘拉出连续的CNT膜拉在PTFE板上。将CNT膜逐层以30°的夹角交错平铺于宽为10 cm长为12 cm的矩形PTFE板上，得到6层多孔交错的取向CNT膜空气电极。单层CNT膜的面密度为1.4 μg/cm2。
（3）水凝胶电解液的制备：将5 g PVA与0.5 g PEO在95℃油浴溶解于50 mL去离子水中，持续搅拌3 h，随后加入5 mL浓度为18 M的KOH水溶液，95℃油浴继续搅拌0.5 h，冷却后得到PVA/PEO/KOH凝胶电解液，其各组分质量分数分别为PVA:8%，PEO:0.8%，KOH:8%。
（4）线状锌空气电池的组装：将上述PVA/PEO/KOH水凝胶电解液包裹长度为10 cm的锌弹簧后，放入-20℃环境中冰冻2h后室温解冻，重复此冰冻解冻过程1次进行物理交联。放入0℃环境中6h进一步增强物理交联。将电解液凝固后的弹簧在浓度为4 mg/mL的RuO2水合物乙醇悬浮液中沾涂于凝胶表面形成OER催化层。最后将弹簧沿着矩形PTFE板上的长度方向滚动利用凝胶的黏性将取向交错的CNT膜包覆在最外层，得到可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池。
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Claims (7)

1.一种可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池，其特征在于：其结构组成为：由锌弹簧作为电池负极，在锌弹簧上包裹PVA/PEO/KOH水凝胶作为电解液，沾涂RuO2水合物作为析氧反应催化层，最外层包覆交错的取向CNT膜作为电池正极空气电极。
2.一种可弯曲拉伸的可充电线状锌空气电池的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）首先，将PVA/PEO/KOH水凝胶电解液均匀包裹锌弹簧，放入冰箱冰冻交联成固态；
（2）然后，将得到的弹簧沾涂RuO2水合物乙醇悬浮液，在凝胶表面形成析氧反应催化层；
（3）最后，将交错铺盖在聚四氟乙烯板上的取向CNT膜包裹在最外层，即得到线状锌空气电池。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述PVA/PEO/KOH水凝胶由PVA、PEO、KOH组成，其制备过程为：将PVA与PEO按比例PVA:PEO=(1-20):1在60-100℃油浴溶解于去离子水中，持续搅拌2-4h，随后加入浓度为10 M-20 M的KOH水溶液，60-100℃油浴继续搅拌0.5-1h，冷却后得到PVA/PEO/KOH水凝胶电解液，其各组分质量分数分别为PVA:1%-20%，PEO:0.1%-5%，KOH:1%-20%。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述冰冻交联成固态的过程为：PVA/PEO/KOH水凝胶电解液包裹锌弹簧后，放入-10-30℃环境中冰冻1-8h，然后室温解冻，重复此冰冻解冻过程1-5次进行物理交联；最后放入0-10℃环境中1-10h进一步增强物理交联。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述RuO2水合物乙醇悬浮液由立方晶形RuO2水合物分散在乙醇中得到，浓度为1-10 mg/mL。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述线状锌空气电池由如下过程得到：首先把CNT阵列粘在玻璃片上，然后用刀片从阵列边缘拉出连续的CNT膜拉在聚四氟乙烯板上；将CNT膜逐层以0°-90°的夹角交错平铺于矩形聚四氟乙烯板上，得到多孔交错的取向CNT膜空气电极；单层CNT膜的面密度为1-5 μg/cm2。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述CNT阵列由化学气相沉积法制备得到，CNT阵列高度为200-300μm；CNT取向排列， CNT为多壁结构，管径为10-20 nm。
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