CN111682182B - 一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池 - Google Patents

一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池，由铝墨水阳极、碳墨水阴极、纸基底三部分组成，铝墨水阳极及碳墨水阴极分别覆于纸基底两侧，所述铝墨水阳极添加有液态合金微粒。通过添加液态合金微粒对铝墨水阳极进行活化，添加的液态合金微粒还可起到粘结、集流、导电等作用。本发明通过制备液态合金活化的铝墨水阳极，碳墨水阴极，并将其打印在打印机用纸的两侧，通过电解液活化即可对外放电。这样的结构设计使该铝空气电池具有优异的小功率电化学性能，电池还能够被打印到织物中为可穿戴电子器件供能，有望实现大规模应用。

Description

一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池
技术领域
本发明涉及铝空气电池领域，具体涉及一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池。
背景技术
人们生活水平的不断提高及对可再生环保能源的需求，促进了小型电子设备，如可穿戴存储设备的发展。近些年来，柔性/可穿戴器件的应用受到了学术界和工业界的广泛关注，在智能服装、生物监测器、电子纸、表皮电子学、柔性显示屏等领域发挥着不可替代的作用。但是，可穿戴电子产品要求与之适配的电源具有重量轻、体积小、可任意形变、制造过程简单快捷并且成本低廉等特点。
喷墨打印是最主要的无版印刷技术之一，其基本工作原理是根据计算机的指令将油墨从微细的喷嘴直接喷射到承印物上的制定位置，从而打印成设计好的图案。与传统的有版印刷工艺不同，喷墨打印无需预先加工印版，印刷时喷头也无须与承印材料发生接触。喷墨打印技术因可个性化定制、精准度高、成本低廉、流程快速简单和对环境无污染等优势而得到广泛关注。
铝空气电池具有高达2796Wh/kg的理论能量密度，极具优势与发展前景。然而，传统铝空气电池为刚性结构，且有复杂的水管理系统，即使被设计成柔性电池，在反复的弯曲、折叠和拉伸后，难免会造成不可逆形变，附着于金属集流体之上的活性物质的脱落将导致电池性能的快速衰退甚至失效。柔性电池需要满足外部形变的要求，还要能承受在充放电过程中电池内部的体积变化。因此，理想的柔性电池材料需要同时具备导电柔性和机械柔性。
液态金属长期以来受到人们的广泛关注，镓基液体金属具有良好的导热性和导电性，低粘度和无毒性。镓基液态合金的熔点低于或接近室温，这使它们与固体金属相比具有额外的优势，在室温下具有液体的性质是灵活的、可伸缩的。
发明内容
本发明提出了一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池，可供柔性电池市场使用，通过添加液态合金微粒起到对铝墨水的活化、粘结、集流、导电等多个作用，并使铝墨水在室温下有一定的自愈能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池，由铝墨水阳极、碳墨水阴极、纸基底三部分组成，铝墨水阳极及碳墨水阴极分别覆于纸基底两侧，所述铝墨水阳极添加有液态合金微粒。通过添加液态合金微粒对铝墨水阳极进行活化，添加的液态合金微粒还可起到粘结、集流、导电等作用。
进一步地，所述可打印的新型柔性纸基铝空气电池通过以下步骤制备：
S1.在纸基底双侧表面绘制液态合金网络集流体；
S2.将铝墨水阳极和碳墨水阴极分别沉积在液态合金网络集流体中；
S3.干燥后得到可打印的柔性纸基铝空气电池；
S4.向纸张滴加电解液即可完成电池充电活化，向外放电。
进一步地，所述铝墨水阳极由铝粉、液态合金粒子、羧甲基纤维素(CMC)、30-70％乙醇水溶液组成。
进一步地，所述铝墨水阳极由铝粉、液态合金粒子、甲基纤维素、30-70％乙醇水溶液组成。
更进一步地，所述铝墨水阳极中，铝粉与液态合金粒子的质量比为10:1至50:1之间；铝粉与羧甲基纤维素或甲基纤维素的质量比为30:1至150:1之间。
进一步地，所述液态合金粒子由Ga、In、Sn、Bi、Zn中的两种或多种组成，且在柔性铝空气电池工作温度下为液态，尺寸不大于5um。
进一步地，所述铝墨水阳极的制备方法，包括以下步骤：
1.选择Ga、In、Sn、Zn、Bi中两种或多种按配比配好后，在高于所选元素熔点100℃温度下，惰性气体氛围中加热并保温1-2h后得到液态合金后，将液态合金室温合金化10-24h；
2.将液态合金、表面活性剂、溶剂按照0.01-10g：0.01-20g：10-100ml混合，超声搅拌 20-40min制得液态合金微粒；
3.控制铝粉、液态合金粒子质量比为10:1至50:1之间，铝粉与羧甲基纤维素质量比为30:1 至150:1之间；将铝粉、液态合金粒子、羧甲基纤维素混合加入30-70％乙醇水溶液中，超声 10-30min确保均匀混合，制得铝墨水阳极。
进一步地，所述碳墨水阴极由50％MnO2-CNTs、粘结剂、30-70％乙醇水溶液组成。
更进一步地，所述碳墨水阴极中，50％MnO2-CNTs与粘结剂质量比为50:1至10:1之间。
进一步地，所述纸基底为打印用纸。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
与传统柔性电池相比该可打印技术更加智能可实现电脑控制，制备个性化柔性电池；
与传统铝空气电池相比避免了复杂的流体与气体管理系统，通过纸张自身的毛细作用实现电解质的自动运输，实现了铝空气电池小型化轻量化；
与现有可打印电池相比，该电池采用液态合金做集流器避免了贵金属银的使用降低了成本，并且铝成本低廉、绿色环保，复合当下低碳环保理念。
综上，本发明通过制备液态合金活化的铝墨水阳极，碳墨水阴极，并将其打印在打印机用纸的两侧，通过电解液活化即可对外放电。这样的结构设计使该铝空气电池具有优异的小功率电化学性能，电池还能够被打印到织物中为可穿戴电子器件供能，有望实现大规模应用。
附图说明
图1为本发明一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池结构示意图；
图中：
1-铝墨水阳极；2-纸基底；3-碳墨水阴极；4-液态合金集网络流体。
具体实施方式
一种可打印的新型柔性纸基铝空气电池，由铝墨水阳极、碳墨水阴极、纸基底三部分组成，铝墨水阳极及碳墨水阴极分别覆于纸基底两侧，所述铝墨水阳极添加有液态合金微粒。通过添加液态合金微粒对铝墨水阳极进行活化，添加的液态合金微粒还可起到粘结、集流、导电等作用。
进一步地，所述可打印的新型柔性纸基铝空气电池通过以下步骤制备：
S1.在纸基底双侧表面绘制液态合金网络集流体；
S2.将铝墨水阳极和碳墨水阴极分别沉积在液态合金网络集流体中；
S3.干燥后得到可打印的柔性纸基铝空气电池；
S4.向纸张滴加电解液即可完成电池充电活化，向外放电。
进一步地，所述铝墨水阳极由铝粉、液态合金粒子、羧甲基纤维素(CMC)、30-70％乙醇溶液组成。
进一步地，所述铝墨水阳极由铝粉、液态合金粒子、甲基纤维素、30-70％乙醇溶液组成。
更进一步地，所述铝墨水阳极中，铝粉与液态合金粒子的质量比为10:1至50:1之间；铝粉与羧甲基纤维素或甲基纤维素的质量比为30:1至150:1之间。
进一步地，所述液态合金微粒由Ga、In、Sn、Bi、Zn中的两种或多种组成，且在柔性铝空气电池工作温度下为液态，尺寸不大于5um。
更进一步地，所述液态合金粒子由Ga和In按质量分数74.5％Ga：25.5％In组成。
进一步地，所述铝墨水阳极的制备方法，包括以下步骤：
1.选择Ga、In、Sn、Zn、Bi中两种或多种按配比配好后，在高于所选元素熔点100℃温度下，惰性气体氛围中加热并保温1-2h后得到液态合金后，将液态合金室温合金化10-24h；
2.将液态合金、表面活性剂、溶剂按照0.01-10g：0.01-20g：10-100ml混合，超声搅拌 20-40min制得液态合金微粒；
3.控制铝粉、液态合金粒子质量比为10:1至50:1之间，铝粉与羧甲基纤维素质量比为30:1 至150:1之间；将铝粉、液态合金粒子、羧甲基纤维素混合加入30-70％乙醇溶液中，超声 10-30min确保均匀混合，制得铝墨水阳极。
进一步地，所述碳墨水阴极由50％MnO2-CNTs、粘结剂、30-70％乙醇水溶液组成。
更进一步地，所述碳墨水阴极中，50％MnO2-CNTs与粘结剂质量比为50:1至10:1之间。
进一步地，所述纸基底为打印用纸。
实施例1：
铝墨水阳极采用市售200目铝粉、质量分数74.5％：Ga25.5％In液态合金、羧甲基纤维素(CMC)、50％乙醇水溶液制备；碳墨水空气阴极采用50％MnO2-CNTs、Nafion粘结剂、50％乙醇水溶液制备；电解液选用2M NaCl。
1.铝墨水阳极的制备：
(1)将质量分数为74.5％Ga：25.5％In的镓铟合金在氮气氛围下加热到300℃并保温2h后得到液态合金，将液态合金合金化20h；
(2)将已制得镓铟液态合金、表面活性剂十二烷基硫酸钠、溶剂N-甲基吡咯烷酮，按照1g： 1g：20ml混合，超声搅拌30min制得液态合金微粒；
(3)以质量比为40:2:1将铝粉、液态合金微粒和羧甲基纤维素混合后加入50％乙醇水溶液中，超声20min确保均匀混合，就制得了铝墨水。
2.碳墨水空气阴极的制备：
将50％MnO2-CNTs、Nafion粘结剂以质量比30:1混合后加入50％乙醇水溶液中超声20min 确保均匀混合，就制得了碳墨水空气阴极。
3.可打印的新型柔性纸基铝空气电池的制备：
(1)在纸张两侧用液态合金绘制液态合金网络集流器；
(2)将铝墨水和碳墨水分别沉积在纸张两侧的液态合金网络集流器中；
(3)干燥后就得到可打印铝空气电池；
(4)向纸张滴加2M NaCl电解液即可完成电池充电活化，向外放电。
当滴加2ml的2M NaCl电解液时可实现0.5mA-0.6V稳定放电5h。
实施例2：
铝墨水阳极采用市售200目铝粉、质量分数66％Ga：13.5％In：20.5％Sn液态合金、羧甲基纤维素(CMC)、30％乙醇水溶液制备；碳墨水空气阴极采用50％MnO2-CNTs、Nafion粘结剂、30％乙醇水溶液制备；电解液选用2M NaCl。
3.铝墨水阳极的制备：
(4)将质量分数为66％Ga：13.5％In：20.5％Sn的镓铟锡合金在氮气氛围下加热到250℃并保温2h后得到液态合金，将液态合金合金化20h；
(5)将已制得镓铟液态合金、表面活性剂十二烷基硫酸钠、溶剂N-甲基吡咯烷酮，按照1g： 2g：10ml混合，超声搅拌30min制得液态合金微粒；
(6)以质量比为30:3:1将铝粉、液态合金微粒和羧甲基纤维素混合后加入30％乙醇水溶液中，超声20min确保均匀混合，就制得了铝墨水。
4.碳墨水空气阴极的制备：
将50％MnO2-CNTs、Nafion粘结剂以质量比50:1混合后加入30％乙醇水溶液中超声20min 确保均匀混合，就制得了碳墨水空气阴极。
3.可打印的新型柔性纸基铝空气电池的制备：
(1)在纸张两侧用液态合金绘制液态合金网络集流器；
(2)将铝墨水和碳墨水分别沉积在纸张两侧的液态合金网络集流器中；
(3)干燥后就得到可打印铝空气电池；
(4)向纸张滴加2M NaCl电解液即可完成电池充电活化，向外放电。
当滴加2ml的2M NaCl电解液时可实现0.3mA-0.6V稳定放电7h。
实施例3：
铝墨水阳极采用市售200目铝粉、质量分数60％Ga：25％In：10％Sn：5％Zn液态合金、羧甲基纤维素(CMC)、70％乙醇水溶液制备；碳墨水空气阴极采用50％MnO2-CNTs、Nafion 粘结剂、70％乙醇水溶液制备；电解液选用2M NaCl。
5.铝墨水阳极的制备：
(7)将质量分数为60％Ga：25％In：10％Sn：5％Zn的镓铟锡锌合金在氮气氛围下加热到520℃并保温2h后得到液态合金，将液态合金合金化20h；
(8)将已制得镓铟液态合金、表面活性剂十二烷基硫酸钠、溶剂N-甲基吡咯烷酮，按照1g： 1g：10ml混合，超声搅拌30min制得液态合金微粒；
(9)以质量比为150:3:1将铝粉、液态合金微粒和羧甲基纤维素混合后加入70％乙醇水溶液中，超声20min确保均匀混合，就制得了铝墨水。
6.碳墨水空气阴极的制备：
将50％MnO2-CNTs、Nafion粘结剂以质量比10:1混合后加入70％乙醇水溶液中超声20min 确保均匀混合，就制得了碳墨水空气阴极。
3.可打印的新型柔性纸基铝空气电池的制备：
(1)在纸张两侧用液态合金绘制液态合金网络集流器；
(2)将铝墨水和碳墨水分别沉积在纸张两侧的液态合金网络集流器中；
(3)干燥后就得到可打印铝空气电池；
(4)向纸张滴加2M NaCl电解液即可完成电池充电活化，向外放电。
当滴加2ml的2M NaCl电解液时可实现0.1mA-0.65V稳定放电10h。

Claims (8)

1.一种可打印的柔性纸基铝空气电池，其特征在于，由铝墨水阳极、碳墨水阴极、纸基底三部分组成，铝墨水阳极及碳墨水阴极分别覆于纸基底两侧，所述铝墨水阳极添加有液态合金微粒；
所述柔性纸基铝空气电池通过以下步骤制备：
S1.在纸基底双侧表面绘制液态合金网络集流体；
S2.将铝墨水阳极和碳墨水阴极分别沉积在液态合金网络集流体中；
S3.干燥后得到可打印的柔性纸基铝空气电池；
S4.向纸张滴加电解液即可完成电池充电活化，向外放电。
2.如权利要求1所述的一种可打印的柔性纸基铝空气电池，其特征在于所述铝墨水阳极由铝粉、液态合金微粒、羧甲基纤维素或甲基纤维素、30-70％乙醇水溶液组成。
3.如权利要求2所述的一种可打印的柔性纸基铝空气电池，其特征在于，所述铝墨水阳极中，铝粉与液态合金微粒的质量比为10:1至50:1之间；铝粉与羧甲基纤维素或甲基纤维素的质量比为30:1至150:1之间。
4.如权利要求1所述的一种可打印的柔性纸基铝空气电池，其特征在于，所述液态合金微粒由Ga、In、Sn、Bi、Zn中的两种或多种组成，且在柔性铝空气电池工作温度下为液态。
5.如权利要求1所述的一种可打印的柔性纸基铝空气电池，其特征在于，所述铝墨水阳极通过以下步骤制备：
1)选择Ga、In、Sn、Zn、Bi中两种或多种按配比配好后，在高于所选元素熔点100℃温度下，惰性气体氛围中加热并保温1-2h后得到液态合金后，将液态合金室温合金化10-24h；
2)将液态合金、表面活性剂、溶剂按照0.01-10g：0.01-20g：10-100ml混合，超声搅拌20-40min制得液态合金微粒；
3)控制铝粉、液态合金微粒质量比为10:1至50:1之间，铝粉与羧甲基纤维素质量比为30:1至150:1之间；将铝粉、液态合金微粒、羧甲基纤维素混合加入30-70％乙醇溶液中，超声10-30min确保均匀混合，制得铝墨水阳极。
6.如权利要求1所述的一种可打印的柔性纸基铝空气电池，其特征在于，所述碳墨水阴极由50％MnO2-CNTs、粘结剂、30-70％乙醇水溶液组成。
7.如权利要求1所述的一种可打印的柔性纸基铝空气电池，其特征在于，所述碳墨水阴极中，50％MnO2-CNTs与粘结剂质量比为50:1至10:1之间。
8.如权利要求1所述的一种可打印的柔性纸基铝空气电池，其特征在于，所述纸基底为打印用纸。
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