CN108598627B - 一种高容量钾-氧气电池 - Google Patents
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Abstract
一种高容量钾‑氧气电池，以金属钾为负极，顺序叠加用来隔离负极和氧气正极的隔膜、氧气正极和泡沫镍弹片，在正极和负极之间充满电解液。所述氧气正极包括气体扩散层和导电材料涂层，并使用氧气作为正极活性物质，所述导电材料涂层涂覆在气体扩散层的表面。本发明的钾‑氧气电池的放电比容量最高可达2505mAh/g，充放电过电位很小(电流密度为0.1mA/m2时，仅为50mV)，无需使用催化剂减小过电位。本发明填补了钾‑氧气电池技术领域的空白，扩展了空气电池的研究领域，整体电化学性能优良，有更好的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电池制备技术领域，具体涉及一种高容量钾-氧气电池。
技术背景
随着科技的不断进步和各种用电设备的日益发展，二次电池已经逐渐不能满足用电设备对动力源不断提高的性能要求，尤其是在比能量和能量效率等方面。金属-空气电池正极采用空气中的氧气，由外界空气供给，无需携带，用之不竭；负极采用具有较高电化学当量的金属单质，具有优良的比能量特性，无需维护，成为目前备受关注的能量转换体系。
其中，Li-O2电池由于具有很高的理论能量密度(3505Wh/kg)引起了研究人员的广泛关注，其反应原理为：
在放电过程中，负极金属锂失去电子形成Li+，正极氧气被还原成O2 —，与电解液中的Li+结合形成LiO2，LiO2不稳定随后分解为Li2O2和O2；充电时，Li2O2直接分解为Li和O2。由于反应机理的不对称和放电产物Li2O2的电导率低，使锂-氧气电池过电位很大(放电过电位大约为0.3V，充电过电位在1～1.5V)，限制了电池容量和能量效率(<60％)。目前Li-O2电池的研究重点在于使用催化剂降低电池过电位，但催化剂在一定程度上会催化副反应，促进电解液的分解，导致反应终止。另外，电解液和碳电极在高的充电电位(>3.5V)下容易分解，限制了电池循环寿命。
因此，寻找一种低过电位而且放电产物导电性好的金属-空气电池是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高容量钾-氧气电池，容量最高可达2505mAh/g，而且比现有锂-氧气电池具有更小过电位和更高的能量效率。
本发明采取的技术方案是：
一种高容量钾-氧气电池，以金属钾为负极，顺序叠加用来隔离负极和氧气正极的隔膜、氧气正极和泡沫镍弹片，在正极和负极之间充满电解液。
进一步的，所述隔膜为玻璃纤维隔膜或者是玻璃纤维隔膜与Nafion-K+膜的组合膜。
进一步的，所述氧气正极包括气体扩散层和导电材料涂层，并使用氧气作为正极活性物质，所述导电材料涂层涂覆在气体扩散层的表面。
进一步的，所述气体扩散层选自碳纸、碳布、泡沫镍之中的一种。
进一步的，所述导电材料涂层选自Super P、多孔碳材料、氮掺杂多孔碳材料、Co3O4之中的一种或几种。
进一步的，所述电解液由醚类材料与钾盐构成，醚类材料选自二甘醇二甲醚，四甘醇二甲醚，二甘醇二丁醚之一，钾盐选自KPF6，KBF4，KClO4，KAsF6，KCF3SO3，K2SiF6，KSBF6，KC(CF3SO2)3，KN(CF3SO2)2，KN(CF3SO2)2之一。
进一步的，所述多孔碳材料的制备方法为：将柠檬酸(或葡萄糖)、氯化钠溶解在去离子水中并搅拌12～24h；然后将上部澄清溶液倒入表面皿中并用保鲜膜密封后冷冻48h，待冻实后迅速置于冷冻干燥机中干燥24h除去水分；随后将干燥后的粉状物放于方舟中，在氩气和氢气气氛下，在管式炉中于750℃煅烧2h；待冷却至室温后，抽滤6次洗去样品中的杂质和盐，在80℃烘箱中烘干得到所述的多孔碳材料。
进一步的，所述的氮掺杂多孔碳材料的制备方法为：将柠檬酸(或葡萄糖)、氯化钠和尿素(氮掺杂源)溶解在去离子水中并搅拌12～24h；将上部澄清的溶液倒入表面皿中并用保鲜膜密封后冷冻48h，待冻实后迅速置于冷冻干燥机中干燥24h除去水分；将干燥后的粉状物放于方舟中，在氩气和氢气气氛下，在管式炉中于750℃煅烧2h；待冷却至室温后，抽滤6次洗去样品中的杂质和盐，在80℃烘箱中烘干得到氮掺杂多孔碳材料。
进一步的，所述组合膜为在两层玻璃纤维隔膜之间夹一层Nafion-K+膜，Nafion-K+膜制备方法为：将二甲基亚砜和水按照1:1的体积比混合制成溶剂，加入KOH，配制成0.5M的KOH溶液，再将Nafion211膜置于该溶液中60℃下搅拌2小时，得到Nafion-K+初始膜，将初始膜在蒸馏水中于90℃下搅拌2小时除去残留的KOH和二甲基亚砜，然后在100℃下真空烘干得到Nafion-K+膜。
本发明的有益效果：
本发明通过使用碳纸作为氧气扩散层，涂覆大比表面积的导电材料，增加氧还原活性位点，提高放电容量，根据实验结果放电比容量最高可达2505mAh/g。
本发明通过使用所述组合膜隔离负极金属钾和正极O2，实现K+选择性透过的效果，抑制钾表面副反应，提高电池循环能力和库伦效率。根据实验结果，可在电流密度为0.1mA/m2时，循环超过60周，并保持库伦效率在80％以上。
氧气正极材料采用多孔碳、负极采用金属钾，放电时生成稳定的超氧化钾附着在正极上，充电时超氧化钾分解释放氧气，实现氧气循环利用，与锂-氧气电池相比，钾-氧气电池的充放电过电位很小(电流密度为0.1mA/m2时，仅为50mV)，无需使用催化剂减小过电位。本发明填补了钾-氧气电池技术领域的空白，扩展了空气电池的研究领域，整体电化学性能优良，有更好的实用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图2是本发明实施例1所制备的钾-氧气电池完全放电后的放电产物的扫描电镜图像。
图3是本发明实施例1所制备的钾-氧气电池的循环伏安曲线。
图4是本发明实施例2所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图5是本发明实施例2所制备的钾-氧气电池完全放电后的放电产物的扫描电镜图像。
图6是本发明实施例3所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图7是本发明实施例4所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图8是本发明实施例4所制备的钾-氧气电池完全放电后的放电产物的扫描电镜图像。
图9是本发明实施例5所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图10是本发明实施例6所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图11是本发明实施例7所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图12是本发明实施例7所制备的钾-氧气电池完全放电后的放电产物的扫描电镜图像。
图13是本发明实施例8所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图14是本发明实施例8所制备的钾-氧气电池完全放电后的放电产物的扫描电镜图像。
图15是本发明实施例9所制备的钾-氧气电池的首次充放电曲线。
图16是本发明实施例9所制备的钾-氧气电池完全放电后的放电产物的扫描电镜图像。
图17是本发明实施例10所制备的钾-氧气电池的容量-电压曲线。
图18是本发明实施例10所制备的钾-氧气电池的库伦效率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
一、钾-氧气电池的组装
钾-氧气电池的正极为碳纸(东丽TGP-H-60)，负极为金属钾片，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片以满足电池厚度的需要，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池，将组装好的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
二、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V，充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图1。由图1的首次充放电可以看出，碳纸作为电极材料时，钾-氧气电池的过电位很小(<50mV)，首次库伦效率可以达到81.98％。
三、放电产物的表征
以碳纸为氧气正极的钾-氧气电池在0.05mA/m2的电流密度下，放电到2V，在手套箱中拆开电池，用二乙二醇二甲醚反复冲洗正极极片，40℃真空烘干，在扫描电镜下观察放电产物，结果见图2，可以明显观察到碳纸表面生长有块状放电产物，说明放电完全。在0.1mV/s的扫速下测循环伏安曲线，结果见图3，观察到在2.48V附近产生氧化还原峰，证明电化学反应从KO2产生的平衡电位附近开始发生。
实施例2
一、氧气正极的制备
SuperP在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，SuperP和PTEF的比例为9:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在碳纸上，80℃烘8小时后，冲成圆形极片
，真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、钾-氧气电池的组装
第一部分制备的SuperP电极为钾-氧气电池正极，金属钾为负极，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池，将CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
三、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V，充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图4。
由图4的首次充放电可以看出，SuperP为氧气正极导电涂层材料，碳纸作为氧气扩散层时，钾-氧气电池的过电位为100mV,首次放电比容量可达2155mAh/g。
四、放电产物表征
以SuperP为氧气正极导电涂层，碳纸作为氧气扩散层的钾-氧气电池在0.05mA/m2的电流密度下，放电到2V，在手套箱中拆开电池，用二乙二醇二甲醚反复冲洗正极极片，40℃真空烘干，在扫描电镜下观察放电产物，结果见图5，可以观察到大量的块状放电产物呈块状均匀分布于导电涂层上，说明放电完全。
实施例3
一、氧气正极的制备
SuperP在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，SuperP和PTEF的比例为9:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在泡沫镍上，80℃烘8小时后,冲成圆形极片
，真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、钾-氧气电池的组装
第一部分制备的SuperP电极为钾-氧气电池正极，金属钾为负极，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池。将组装好的带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
三、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V,充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图6。
由图6的首次充放电可以看出，SuperP为氧气正极导电涂层，泡沫镍作为氧气扩散层时，钾-氧气电池的过电位为100mV，首次放电比容量可达840mAh/g。
实施例4
一、氧气正极的制备
以葡萄糖为碳源的多孔碳(以下简称PU)制备方法：首先取一定量的葡萄糖、氯化钠溶解在70mL去离子水中搅拌一夜；将澄清的溶液倒入表面皿中并用保鲜膜密封后置于冰箱中冷冻48h；待冻实后迅速置于冷冻干燥机中干燥24h除去水分；收集粉末放于方舟中在氩气和氢气气氛下的管式炉中750℃煅烧2h；待冷却至室温通过抽滤6次洗去样品中的杂质和盐；在80℃烘箱中烘干得到所述的多孔碳材料。
PU和SuperP在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，PU、SuperP和PTEF的比例为8:1:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在碳纸上，80℃烘8小时后，冲成圆形极片
，真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、钾-氧气电池的组装
第一部分制备的PU电极为钾-氧气电池正极，金属钾为负极，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池。将组装好的带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
三、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V，充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图7。
由图7的首次充放电可以看出，PU为氧气正极导电涂层材料，碳纸作为氧气扩散层时，钾-氧气电池的过电位为160mV,首次放电比容量可达1746mAh/g。
四、放电产物表征
以PU为氧气正极导电涂层，碳纸作为氧气扩散层的钾-氧气电池在0.05mA/m2的电流密度下，放电到2V，在手套箱中拆开电池，用二乙二醇二甲醚反复冲洗正极极片，40℃真空烘干，在扫描电镜下观察放电产物，结果见图8，可以观察到在PU表面均匀覆盖了一层KO2放电产物，说明放电完全。
实施例5
一、氧气正极的制备
以柠檬酸为碳源多孔碳(以下简称NING)制备方法：首先取一定量的柠檬酸、氯化钠溶解在70mL去离子水中搅拌一夜；将澄清的溶液倒入表面皿中并用保鲜膜密封后置于冰箱中冷冻48h；待冻实后迅速置于冷冻干燥机中干燥24h除去水分；收集粉末放于方舟中在氩气和氢气气氛下的管式炉中750℃煅烧2h；待冷却至室温通过抽滤6次洗去样品中的杂质和盐；在80℃烘箱中烘干得到所述的NING。
NING和SuperP在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，NING、SuperP和PTEF的比例为8:1:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在碳纸上，80℃烘8小时后,冲成圆形极片
，真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、钾-氧气电池的组装
第一部分制备的NING电极为钾-氧气电池正极，金属钾为负极，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池。将组装好的带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
三、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V，充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图9。
由图9的首次充放电可以看出，NING为氧气正极导电涂层材料，碳纸作为氧气扩散层时，钾-氧气电池的过电位为115mV,首次放电比容量可达1119mAh/g。
实施例6
一、氧气正极的制备
以葡萄糖为碳源的掺氮多孔碳(以下简称PU-N)制备方法：首先取一定量的葡萄糖、氯化钠和尿素溶解在70mL去离子水中搅拌一夜；将澄清的溶液倒入表面皿中并用保鲜膜密封后置于冰箱中冷冻48h；待冻实后迅速置于冷冻干燥机中干燥24h除去水分；收集粉末放于方舟中在氩气和氢气气氛下的管式炉中750℃煅烧2h；待冷却至室温通过抽滤6次洗去样品中的杂质和盐；在80℃烘箱中烘干得到所述的PU-N。
PU-N和SuperP在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，PU-N、SuperP和PTEF的比例为8:1:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在碳纸上，80℃烘8小时后,冲成圆形极片
，真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、钾-氧气电池的组装
第一部分制备的PU-N电极为钾-氧气电池正极，金属钾为负极，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池。将组装好的带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
三、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V，充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图10。
由图10的首次充放电可以看出，PU-N为氧气正极导电涂层材料，碳纸作为氧气扩散层时，钾-氧气电池的过电位为110mV,首次放电比容量可达2505mAh/g。
实施例7
一、氧气正极的制备
柠檬酸掺氮多孔碳材料(以下简称NING-N)的制备方法：首先取一定量的柠檬酸、氯化钠和氮掺杂源(尿素)溶解在70mL去离子水中搅拌一夜；将澄清的溶液倒入表面皿中并用保鲜膜密封后置于冰箱中冷冻48h；待冻实后迅速置于冷冻干燥机中干燥24h除去水分；收集粉末放于方舟中在氩气和氢气气氛下的管式炉中750℃煅烧2h；待冷却至室温通过抽滤6次洗去样品中的杂质和盐；在80℃烘箱中烘干得到所需NING-N。
NING-N和SuperP在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，NING-N、SuperP和PTEF的比例为8:1:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在碳纸上，80℃烘8小时后,冲成圆形极片
，真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、钾-氧气电池的组装
第一部分制备的NING-N电极为钾-氧气电池正极，金属钾为负极，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池。将组装好的带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
三、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V,充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图11。
由图11的首次充放电可以看出，NING-N为氧气正极导电涂层材料，碳纸作为氧气扩散层时，钾-氧气电池的过电位为100mV，首次放电比容量可达1767mAh/g。
四、放电产物表征
以NING-N为氧气正极导电涂层，碳纸作为氧气扩散层的钾-氧气电池在0.05mA/m2的电流密度下，放电到2V，在手套箱中拆开电池，用二乙二醇二甲醚反复冲洗正极极片，40℃真空烘干，在扫描电镜下观察放电产物，结果见图12，可以观察到在NING-N表面均匀覆盖了一层KO2放电产物，说明放电完全。
实施例8
一、氧气正极的制备
Co3O4在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，Co3O4、SuperP和PTEF的比例为8:1:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在碳纸上，80℃烘8小时后，冲成圆形极片
，真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、钾-氧气电池的组装
以第一步制备的Co3O4为钾-氧气电池的正极、金属钾片为负极，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池。将组装好的带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
三、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V，充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图13。
由图13的首次充放电可以看出，Co3O4作为电极材料时，钾-氧气电池的过电位为120mV，首次放电容量230mAh/g。
四、放电产物的表征
以Co3O4为氧气正极导电涂层、碳纸作为氧气扩散层的钾-氧气电池，在0.05mA/m2的电流密度下，放电到2V，在手套箱中拆开电池，用二乙二醇二甲醚反复冲洗正极极片，40℃真空烘干，在扫描电镜下观察放电产物，结果见图14，可以观察到放电产物KO2均匀生长在正极表面，说明放电完全。
实施例9
一、氧气正极的制备
碳纳米管在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，碳纳米管、SuperP和PTEF的比例为8:1:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在碳纸上，80℃烘8小时后，冲成圆形极片
，真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、钾-氧气电池的组装
第一部分制备的碳纳米管电极为钾-氧气电池正极，负极为金属钾片，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为玻璃纤维隔膜(WhatmanGF/D)，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池。将组装好的带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
三、电池充放电测试
充放电截止电压2V～3V，充放电电流密度为0.1mA/m2，充放电结果见图15。
由图15的首次充放电可以看出，碳纳米管作为电极材料时，钾-氧气电池的过电位为150mV，首次放电容量887mAh/g。
四、放电产物的表征
以碳纳米管为氧气正极导电涂层，碳纸作为氧气扩散层的钾-氧气电池，在0.05mA/m2的电流密度下，放电到2V，在手套箱中拆开电池，用二乙二醇二甲醚反复冲洗正极极片，40℃真空烘干，在扫描电镜下观察放电产物，结果见图16，可以观察到在碳纳米管表面均匀覆盖了一层KO2放电产物，说明放电完全。
实施例10
一、氧气正极的制备
以葡萄糖为碳源的掺氮多孔碳(以下简称PU-N)制备方法：首先取一定量的葡萄糖、氯化钠和尿素溶解在70mL去离子水中搅拌一夜；将澄清的溶液倒入表面皿中并用保鲜膜密封后置于冰箱中冷冻48h；待冻实后迅速置于冷冻干燥机中干燥24h除去水分；收集粉末放于方舟中在氩气和氢气气氛下的管式炉中750℃煅烧2h；待冷却至室温通过抽滤6次洗去样品中的杂质和盐；在80℃烘箱中烘干得到所述的PU-N。
PU-N和SuperP在120℃下真空烘8小时，加入浓度为5％的PTFE(溶剂为水)，PU-N、SuperP和PTEF的比例为8:1:1，加适量乙醇搅拌成粘稠状，均匀涂覆在碳纸上，80℃烘8小时后,冲成圆形极片
真空120℃烘8小时，移入手套箱待用。
二、组合膜的制备方法
所述组合膜为在两层玻璃纤维隔膜之间夹一层Nafion-K+膜，Nafion-K+膜的制备方法为：将二甲基亚砜和水按照1:1的体积比混合制成溶剂，加入KOH，配制成0.5M的KOH溶液，再将Nafion211膜置于该溶液中60℃下搅拌2小时，得到Nafion-K+初始膜，将初始膜在蒸馏水中于90℃下搅拌2小时除去残留的KOH和二甲基亚砜，然后在100℃下真空烘干得到Nafion-K+膜。使用前在电解液中浸泡12小时。
Nafion-K+膜是一种K+选择性透过膜，可以隔离负极金属钾和正极O2，抑制钾表面副反应，提高电池循环能力，根据实验结果，可在电流密度为0.1mA/m2时，循环超过60周。
三、钾-氧气电池的组装
第一部分制备的PU-N电极为钾-氧气电池正极，金属钾为负极，电解液为1mol/L的KPF6/二乙二醇二甲醚溶液，隔膜为第二部分制备的组合膜，加一片泡沫镍作为弹片，组装成带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池。将组装好的带有氧气扩散孔的CR2025扣式电池放入氧气压力为1atm的测试装置中充放电。
四、电池充放电测试
限制放电容量为200mAh/g，充电截止电压为3V，充放电电流密度为0.1mA/m2，图17为容量-电压曲线，可以观察到放电前期过电位基本保持在200mV以内，随着循环周数增加，过电位逐步增大，但仍可以循环超过60周。图18为电池库伦效率曲线，可以观察到使用组合膜可以将电池库伦效率提高到80％以上，并增加电池循环寿命。
Claims (4)
1.一种高容量钾-氧气电池，其特征在于，以金属钾为负极，顺序叠加用来隔离负极和氧气正极的隔膜、氧气正极和泡沫镍弹片，在正极和负极之间充满电解液；所述电解液由醚类材料与钾盐构成，醚类材料选自二甘醇二甲醚，四甘醇二甲醚，二甘醇二丁醚之一，钾盐选自KPF6，KBF4，KClO4，KAsF6，KCF3SO3，K2SiF6，KSBF6，KC(CF3SO2)3，KN(CF3SO2)2之一；氧气正极包括气体扩散层和导电材料涂层，并使用氧气作为正极活性物质，所述导电材料涂层涂覆在气体扩散层的表面；所述隔膜为玻璃纤维隔膜与Nafion-K+膜的组合膜；所述组合膜为在两层玻璃纤维隔膜之间夹一层Nafion-K+膜，Nafion-K+膜制备方法为：将二甲基亚砜和水按照1:1的体积比混合制成溶剂，加入KOH，配制成0.5M的KOH溶液，再将Nafion211膜置于该溶液中60℃下搅拌2小时，得到Nafion-K+初始膜，将初始膜在蒸馏水中于90℃下搅拌2小时除去残留的KOH和二甲基亚砜，然后在100℃下真空烘干得到Nafion-K+膜。
2.如权利要求1 所述的一种高容量钾-氧气电池，其特征在于，所述气体扩散层选自碳纸、碳布、泡沫镍之中的一种。
3.如权利要求2 所述的一种高容量钾-氧气电池，其特征在于，所述导电材料涂层选自Super P、多孔碳材料、Co3O4之中的一种或几种。
4.如权利要求3 所述的一种高容量钾-氧气电池，其特征在于，所述多孔碳材料的制备方法为：将柠檬酸或葡萄糖、氯化钠溶解在去离子水中并搅拌12~24h；然后将上部澄清溶液倒入表面皿中并用保鲜膜密封后冷冻48h，待冻实后迅速置于冷冻干燥机中干燥24h除去水分；随后将干燥后的粉状物放于方舟中，在氩气和氢气气氛下，在管式炉中于750℃煅烧2h；待冷却至室温后，抽滤6次洗去样品中的杂质和盐，在80℃烘箱中烘干得到所述的多孔碳材料。
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| GR01 | Patent grant | ||
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