CN110299532A - 一种水系铝空电池装置的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水系铝空电池装置的制备方法。将四氧化三钴材料加入到Nafion溶液和异丙醇两种混合溶液中；将混合物超声分散得到黑色均匀浆料，再将所得浆料滴加到经在丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗的无尘商用碳纸上，得到正极电极片；将氯化钠加入到去离子水中配置2～4mol/L的氯化钠盐溶液；或将氢氧化钾加入到去离子水中同时添加氧化锌添加剂制备出含有氢氧化钾和氧化锌浓度的氢氧化钾碱性溶液；采用纯铝或铝合金作为铝‑空气电池的负极；将所得的空气正极、电解液和铝负极组装成一个圆柱式铝‑空气电池装置。本发明利用水系电解质进行铝空电池的组装，简单易行，具有更高的循环稳定性和电流密度，适用于商业化应用。

Description

一种水系铝空电池装置的制备方法
技术领域
本发明属于金属-空气电池领域，具体涉及一种水系铝空电池装置的制备方法。
背景技术
目前，化石燃料的广泛使用极大地促进了全球经济的发展，与此同时也导致了化石能源危机、温室效应、水污染和空气污染等问题。因此，发展先进能源存储转换技术，是降低化石能源的使用量，实现低碳经济和可持续发展的有效途径。铝-空气电池以其较高的工作电压、极高的体积能量密度、材料来源丰富、可循环利用、安全环保、可靠性高等特点越来越成为金属-空气电池的研究热点。铝空电池主要由三部分组成：铝金属负极、空气正极和电解质。其中，铝金属负极具有较高的电极电位、较小的密度以及廉价易得等优点，但铝在电解质的析氢腐蚀问题导致其利用率降低，极大地限制了铝空电池的工业化推广。
影响铝空电池性能的主要因素有铝金属负极与电解质,以及它们之间的配合关系。相对于有机电解质而言，水系电解质有以下优点：较好的离子导电性；较高的能量密度；廉价易得；来源广泛储量丰富；环保无毒；安全稳定；易于操作。铝空电池的水系电解质主要是中性盐溶液以及碱性溶液；其中；在不同的电解质下发生反应如下：
碱性条件:
4Al+3O2+4OH-→4Al(OH)4 - (1)
中性条件：
4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)4 - (2)
与此同时，铝在电解质中还会发生如下的自腐蚀析氢反应：
2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2 (3)。
目前主要有铝负极合金化和添加电解质缓蚀剂两个研究方向来降低铝空电池的自腐蚀反应，提高电池的效率。在中性盐溶液中，铝的析氢腐蚀反应较弱，但同时由于电导率较低以及铝酸盐溶解程度较小，导致电池的工作电压和功率较小；在强碱性电解质中，铝的析氢腐蚀比较严重，但同时由于碱性溶液较高的电导率以及铝酸盐的溶解程度较高，从而使电池获得较高的工作电压和较大的功率。同时在铝空气电池装置的组装上也存在很多需要改进的地方，比如结构不合理，催化剂的配比、电解质的配比和金属铝电极的析氢腐蚀问题等，本专利在这些问题上提出了卓有成效的创新和改进，极大的方便了铝空气电池的组装。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单易行、环境友好、高效低廉的新型高效水系铝空电池制备方法。利用廉价易得的原料制备出水系铝空电池，提高了铝空气电池的效率，提高了正极催化剂的利用催化活性和负极金属铝的利用效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种水系铝空电池装置的制备方法；包括步骤如下：
1)、将四氧化三钴材料加入到Nafion溶液和异丙醇两种混合溶液中；
2)、将上述混合物超声分散得到黑色均匀浆料，再将所得浆料滴加到经在丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗8～15分钟预处理后的无尘商用碳纸上，干燥后,得到铝-空气电池空气正极电极片；
3)、电解液制备：将氯化钠加入到去离子水中配置2～4mol/L的氯化钠盐溶液；或将氢氧化钾加入到去离子水中同时添加氧化锌添加剂制备出氢氧化钾浓度为4～6mol/L、氧化锌浓度为0.1～0.4mol/L的氢氧化钾碱性溶液；
4)、制备铝负极：采用纯铝或铝合金作为铝-空气电池的负极；
5)、将步骤2)，3)，4)所得的空气正极、电解液和铝负极组装成一个圆柱式铝-空气电池装置。
所述步骤1)四氧化三钴材料的质量浓度为3～8mg/ml，Nafion溶液和异丙醇溶液的体积比为1：20～1：30。
所述步骤2)干燥温度的温度为50～80℃，干燥时间为6～10h。
所述步骤2)碳纸经过酒精超声清洗三次并烘干作为预处理。
所述步骤4)纯铝的纯度为99.99％，铝合金为锡铟-铝合金。
所述步骤5)圆柱式铝-空气电池装置采用圆柱式电解池储放电解液，空气正极与铝负极分别封住两端并加盖。
利用X射线衍射(XRD)如图1所示及扫描电镜(SEM)如图2所示对空气正极催化剂商用四氧化三钴纳米材料的物相形貌以进行表征，明确催化剂的微观结构为一种立方体结构的催化剂；利用蓝电电池测试系统测试本方法所组装的铝空电池的工作电压和工作时间如图3所示为在20mA/cm2电流密度下恒流放电10.2个小时，放电电压为0.5V；图4所示为10mA/cm2电流密度下恒流放电14.5个小时，放电电压稳定在1.7V左右。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明利用水系电解质进行铝空电池的组装，不同于传统的组装方法，用一种新型工艺来提供较高的离子电导率较好的离子导电性；同时，水在自然界来源广泛储量丰富，环保无毒，可循环利用。
(2)本发明制备方法简单易行，易于操作；电池体系安全稳定高，适用于商业化应用。
(3)本发明制备方法所需金属负极材料是商用化产品铝，同时铝负极可以循环利用，可以有效降低工业化生产成本。
(4)本发明制备的电池具有更高的循环稳定性和电流密度，可以推进铝空气电池的产业化发展。
附图说明
图1为在制备浆料前本方法所用空气正极催化剂的XRD图谱，显示所用催化剂化学成分为Co3O4。
图2为在制备浆料前本方法所用空气正极催化剂的扫描电镜图，显示所用催化剂微观结构为立方体结构。
图3为在制备好正极、负极和电解液以后制备的铝空电池在2mol/L氯化钠溶液中的放电曲线，在20mA/cm2电流密度下恒流放电10.2个小时，放电电压为0.5V。
图4为在制备好正极、负极和电解液以后本方法制备的铝空电池在4mol/L氢氧化钠溶液中的放电曲线10mA/cm2电流密度下恒流放电14.5个小时，放电电压稳定在1.7V左右。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
1)、将商用四氧化三钴材料加入到商用Nafion溶液和异丙醇两种混合溶液中；
2)、制备活性物质浆料：将上述混合物超声分散得到黑色均匀浆料，再将所得浆料逐滴滴加到经在丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗8～15分钟预处理后的无尘商用碳纸上，干燥后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；
3)、制备液体电解质：将氯化钠加入到去离子水中制备出中性盐溶液为一种2～4mol/L的氯化钠溶液；或将氢氧化钾加入到去离子水中同时添加氧化锌添加剂制备出氢氧化钾浓度为4～6mol/L、氧化锌浓度为0.1～0.4mol/L的一种氢氧化钾碱性溶液；
4)、制备铝负极：采用商用纯铝或商用铝合金作为铝-空气电池的负极；
5)、将步骤2)，3)，4)所得的空气正极、电解液和铝负极组装成一个圆柱式铝-空气电池装置，测试其工作电压和工作时间。
优选条件如下：
所述步骤1)商用四氧化三钴材料的质量浓度为3～8mg/ml，Nafion溶液和异丙醇溶液的体积比为1：20～1：30；
所述步骤2)干燥温度的温度为50～80℃，干燥时间为6～10h
所述步骤2)碳纸经过酒精超声清洗三次并烘干作为预处理；
所述步骤3)中性盐溶液为一种2～4mol/L氯化钠；碱溶液为一种4～6mol/L氢氧化钾0.1～0.4mol/L氧化锌溶液；
所述步骤4)纯铝的纯度为99.99％，铝合金为锡铟-铝合金。
所述步骤5)圆柱式铝-空气电池装置采用圆柱式电解池储放电解液，空气正极与铝负极分别封住两端并加盖。
实施例1
将3mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：20的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，50℃干燥6h后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；配制含有0.2mol/L氧化锌添加剂的4mol/L的氢氧化钾溶液作为铝空电池的电解质；将掺杂有锡和铟的商用铝合金作为铝空电池的负极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.72V恒流放电，稳定工作了10个小时。
实施例2
将8mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：30的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，50℃干燥6h后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；配制2mol/L的氯化钠溶液作为铝空电池的电解质；将纯度为99.99％的纯铝作为铝空电池的负极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持0.58V恒流放电，稳定工作了10.5个小时。
实施例3
将4mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：25的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，50℃干燥6h后,即得到铝-空气电池空气阴极电极片；配制0.2mol/L氧化锌添加剂的4mol/L的氢氧化钾溶液作为铝空电池的电解质；将纯度为99.99％的纯铝作为铝空电池的阳极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.65V放电，稳定工作了9小时。
实施例4
将5mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：25的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，50℃干燥6h后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；配制0.2mol/L氧化锌添加剂的4mol/L的氢氧化钾溶液作为铝空电池的电解质；将掺杂有锡和铟的铝合金作为铝空电池的阳极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.69V放电，稳定工作了9.6个小时。
实施例5
将6mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：25的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，50℃干燥6h后,即得到一定负载量的铝-空气电池空气正极电极片；配制含有0.2mol/L氧化锌添加剂的4mol/L的氢氧化钾溶液作为铝空电池的电解质；将掺杂有锡和铟的铝合金作为铝空电池的负极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.01V，稳定工作了10个小时。
实施例6
将7mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：25的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，50℃干燥6h后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；配制含有0.2mol/L氧化锌添加剂的6mol/L的氢氧化钾溶液作为铝空电池的电解质；将掺杂有锡和铟的铝合金作为铝空电池的负极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.13恒流放电，稳定工作了8小时。
实施例7
将8mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：28的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，50℃干燥6h后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；配制含有0.2mol/L氧化锌添加剂的5mol/L的氢氧化钾溶液作为铝空电池的电解质；将掺杂有锡和铟的铝合金作为铝空电池的负极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.5V恒流放电，稳定工作了10个小时。
实施例8
将8mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：28的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，50℃干燥6h后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；配制含有0.2mol/L氧化锌添加剂的4mol/L的氢氧化钾溶液作为铝空电池的电解质；将掺杂有锡和铟的铝合金作为铝空电池的负极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.70流放电，稳定工作了9.5。
实施例9
将5mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：25的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，80℃干燥10h后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；配制含有配制2mol/L的氯化钠溶液作为铝空电池的电解质；将掺杂有锡和铟的铝合金作为铝空电池的负极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.69V恒流放电，稳定工作了10.5个小时。
实施例10
将6mg/ml的商用四氧化三钴材料加入到体积比为1：20的Nafion溶液和的异丙醇溶液中；将上述得到的溶液超声分散得到黑色均匀浆料，将所得浆料逐滴滴加到经过分别用丙酮、乙醇和去离子水预处理后的碳纸上，65℃干燥8h后,即得到铝-空气电池空气正极电极片；配制含有配制2mol/L的氯化钠溶液作为铝空电池的电解质；将掺杂有锡和铟的铝合金作为铝空电池的负极材料；将上述所得的空气正极片、电解质和金属负极组装成柱状铝空电池，进行恒电流放电测试其工作电压和放电时间。电池保持1.62V恒流放电，稳定工作了9个小时。
本发明公开和提出的一种水系铝空电池装置的制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变原料和工艺路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (6)

1.一种水系铝空电池装置的制备方法；其特征是步骤如下：
1)、将四氧化三钴材料加入到Nafion溶液和异丙醇两种混合溶液中；
2)、将上述混合物超声分散得到黑色均匀浆料，再将所得浆料滴加到经在丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗8～15分钟预处理后的无尘商用碳纸上，干燥后,得到铝-空气电池空气正极电极片；
3)、电解液制备：将氯化钠加入到去离子水中配置2～4mol/L的氯化钠盐溶液；或将氢氧化钾加入到去离子水中同时添加氧化锌添加剂制备出氢氧化钾浓度为4～6mol/L、氧化锌浓度为0.1～0.4mol/L的氢氧化钾碱性溶液；
4)、制备铝负极：采用纯铝或铝合金作为铝-空气电池的负极；
5)、将步骤2)，3)，4)所得的空气正极、电解液和铝负极组装成一个圆柱式铝-空气电池装置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤1)四氧化三钴材料的质量浓度为3～8mg/ml，Nafion溶液和异丙醇溶液的体积比为1：20～1：30。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤2)干燥温度的温度为50～80℃，干燥时间为6～10h。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤2)碳纸经过酒精超声清洗三次并烘干作为预处理。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤4)纯铝的纯度为99.99％，铝合金为锡铟-铝合金。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤5)圆柱式铝-空气电池装置采用圆柱式电解池储放电解液，空气正极与铝负极分别封住两端并加盖。
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