CN114156572B - 一种无锌负极锌空气电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种无锌负极锌空气电池。所述无锌负极锌空气电池，包括放电正极，充电正极和无锌负极，其中，所述无锌负极的选自铜、锡、银、金、铟、铋、碳纸、碳毡中的至少一种或者其中金属形成的复合材料。本发明首次选择产氢活性低、导电性好的无锌材料作为负极，由于负极中不含有锌元素，从根本上解决了锌枝晶的产生和脱落的问题，同时，本发明选择的负极材料，可以诱导无锌枝晶(002)面的生成，避免电解液对无锌负极的腐蚀，延长电池的工作时间，提高二次锌空气电池的每圈循环比容量，使其能够满足商业化应用需求。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种无锌负极锌空气电池。
背景技术
能源危机和环境问题严重制约着经济和社会的发展，风能和太阳能等间歇性可再生能源不仅资源分布广而且储量丰富，然而，这些间歇性能源目前利用率低。因此，需要大力发展和高效利用风能和太阳能等间歇性能源。大规模储能电站可以有效提高间歇性能源的电能质量，还可以提高削峰填谷提高能源利用，所以，发展间歇性能源的同时需要发展储能电站。目前，储能电站大部分利用锂离子电池，锂离子电池的安全性是储能电站面临最大的挑战。水系锌空气电池不仅具有很好的安全性也具有非常高的能量密度，非常适用于大规模储能电站。
锌空气电池是进行电能高效转换和大规模储存的重要技术方向之一。该电池利用空气中的氧气作为正极电化学反应活性物质，金属锌作为负极电化学反应活性物质。在电池运行过程中金属电极发生溶解或沉积，放电产物溶解在碱性电解液中；利用空气中的氧气在空气电极上进行氧还原(ORR)或氧析出(OER) 电化学反应，完成电能与化学能相互转换，具有原材料价廉、质量比能量高、工作电压稳定、无污染、寿命长等优点。
传统的锌空气电池采用双功能催化剂作为锌空气电池的正极，锌片或者锌膏作为锌空气电池的负极；双功能催化剂在发生氧还原反应(ORR)时，催化剂不仅要求有很好的ORR催化活性，而且需要一定的疏水性和吸附氧气的能力；在发生氧析出反应(OER)时，催化剂不仅要求有很好的OER催化活性，而且需要亲水性和脱附氧气的能力，ORR催化剂容易在发生OER反应时被氧化。此外，锌膏或者锌片直接做负极，多次深度充放电后会由于缺乏成核位点和不均匀沉积导致锌枝晶和锌脱落等问题。由于上述催化剂和锌负极存在的问题，二次锌空气电池的每圈循环比容量小于1mAh/cm2(Zn，锌面积)导致二次锌空气电池无法商业化应用。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的锌空气电池不能从根本上解决锌枝晶和新脱落的问题、工作时间较短、每圈循环比容量较低等缺陷，从而提供一种无锌负极锌空气电池。
为此，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种无锌负极锌空气电池，包括放电正极，充电正极和无锌负极，其中，所述无锌负极的选自铜、锡、银、金、铟、铋、碳纸、碳毡中的至少一种或者其中金属形成的复合材料。
优选的，所述无锌负极是锡、铟、铋、碳纸或碳毡中的至少一种。
可选的，充电时，无锌负极通过继电器与充电正极组成工作回路；
放电时，无锌负极通过继电器与放电正极组成工作回路。
可选的，所述放电正极，充电正极和无锌负极平行设置，并浸入电解液中。
可选的，所述放电正极包括氧还原反应催化剂；
可选的，所述氧还原反应催化剂选自单原子催化剂、铂碳催化剂、金属氧化物、金属氮化物和金属硫化物中具有氧还原反应催化活性的材料中的至少一种。其中，所述单原子催化剂可以为单原子铁、钴、铂、铜和铈等中的至少一种；所述铂碳催化剂中铂的质量比为1-60％；所述金属氧化物催化剂可以选自氧化钴、氧化锰和氧化铁中的至少一种；所述金属氮化物催化剂可以选自氮化钴、氮化铁、氮化锰和氮化铈中的至少一种；所述金属硫化物催化剂可以选自硫化钴、硫化铁、硫化锰和硫化镍中的至少一种。
可选的，将氧还原反应催化剂直接生长至基底上，或者，将氧还原反应催化剂与疏水粘结剂、导电剂制成浆料，涂覆或压至基底上，得放电正极；
可选的，所述氧还原反应催化剂、疏水粘结剂、导电剂三者的质量比为 (1-9):(0.05-3):(0.1-5)；
可选的，所述疏水粘结剂选自聚四氟乙烯(PTFE)、全氟磺酸树脂(Nafion)、聚偏氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲硅氧烷、聚酯和聚氨酯的至少一种；上述疏水性粘结剂都是本领域常用的疏水性粘结剂，均可通过市售渠道获取，例如，聚四氟乙烯的分子量为300万-800 万，可以是东莞市展阳高分子材料有限公司厂家提供的商品型号DF-301；全氟磺酸树脂的分子量为3万左右，可以是美国杜邦公司厂家提供的商品型号为 D520；聚偏氟乙烯的分子量为100万左右，可以是深圳市泰能能源新材料有限公司厂家提供的商品型号是sokef 5120；丙烯酸树脂的分子量为40-60万，可以是汕头市亚克力高分子树脂厂有限公司厂家提供的商品型号CBS-10；环氧树脂的分子量为1000左右，可以是廊坊中敬建设工程有限公司厂家提供的商品型号 E44；聚乙烯的分子量为2-5万，可以是东莞市山禾塑料科技有限公司厂家提供的商品型号HD5502XA；聚苯乙烯的分子量为5万左右，可以是宁波荣春源工程塑料有限公司厂家提供的商品型号GPS-525；聚氯乙烯的分子量为5万左右，可以是东莞市华鑫发塑料胶原料有限公司厂家提供的商品型号SG-5；聚二甲硅氧烷的分子量为5万左右，可以是东莞市瑞孚润滑油有限公司厂家提供的商品型号RF27；聚氨酯的分子量大概为10万，可以是廊坊鑫大保温材料有限公司厂家提供的商品型号001。
所述导电剂选自乙炔黑、BP2000、科琴黑、炭黑、碳纳米管、石墨烯和Super-P 中的至少一种。所述导电剂为本领域常规的导电剂，均可通过商业渠道获取。
可选的，所述充电正极包括氧析出反应催化剂；
可选的，所述氧析出反应催化剂选自单原子催化剂、金属氧化物、金属氮化物和金属硫化物中具有氧析出反应活性的材料中的至少一种。其中，所述单原子催化剂为单原子钴、单原子镍和单原子钌中的至少一种；所述金属氧化物选自氧化钴、氧化镍、氧化铬氧化铱、氧化钌、和氧化铁等中的至少一种；所述金属氮化物选自氮化铁、氮化钼和氮化钛等中的至少一种；所述金属硫化物选自硫化镍、硫化钼和硫化物等中的至少一种。
可选的，将氧析出反应催化剂直接生长至基底上，或者，将氧析出反应催化剂与亲水粘结剂、导电剂制成浆料，涂覆或压至基底上，得放电正极；
可选的，所述氧析出反应催化剂、亲水粘结剂、导电剂三者的质量比为 (1-9):(0.05-3):(0.1-5)；
可选的，所述亲水粘结剂选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和聚烯烃类聚合物中的至少一种。其中，所述亲水粘结剂均为本领域常用的亲水性粘结剂，可通过商业渠道获取。例如，所述亲水粘结剂选自聚乙烯醇的分子量为17-22万，可以是阿拉丁厂家提供的商品型号为P139535；丁苯橡胶的分子量为5万左右，可以是东莞市广业塑胶原料有限公司厂家提供的商品型号为 792。
可选的，所述电解液为含锌化合物的碱性电解液；
可选的，所述含锌化合物为无机锌盐、有机锌盐、氧化锌中的至少一种；
所述含锌化合物选自醋酸锌、氧化锌、氯化锌、硫酸锌、碘化锌、硝酸锌、二甲基丙烯酸锌、酞菁锌和硬脂酸锌中的至少一种；
进一步可选的，所述电解液中锌离子的浓度为0.01-0.4mol/L。
可选的，所述基底为碳布、碳纸、碳毡、泡沫镍和钛网中的至少一种。
本发明提供的无锌负极锌空气电池，充电时，通过继电器将亲电解液的充电正极与电路接通，充电正极发生OER反应析出氧气，电解液中的锌沉积至无锌负极；放电时，通过继电器将疏电解液的放电正极与电路接通，放电正极发生ORR反应生成氢氧根离子，沉积锌的无锌负极与氢氧根离子结合生成氢氧化锌和氧化锌。该体系根据OER和ORR过程中，对催化剂亲电解液和疏电解液的要求，将传统的双功能催化剂电极分成放电电极和充电正极两个电极；该体系使用无锌负极，通过先充电后放电的方式，不仅可以有效利用电能，而且可以有效解决锌负极的脱落和枝晶问题。电流密度基于放电电极的面积计算。该体系锌空气电池大大提高了锌空气电池的稳定性和每圈循环面比容量，并且使用的材料和试剂无污染，低成本和可再生，具有较高的环境效益和经济效益。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的无锌负极锌空气电池，包括放电正极，充电正极和无锌负极，其中，所述无锌负极的选自铜、锡、银、金、铟、铋、碳纸、碳毡中的至少一种或者其中金属形成的复合材料。本发明首次选择产氢活性低、导电性好的无锌材料作为负极，由于负极中不含有锌元素，从根本上解决了锌枝晶的产生和脱落的问题，同时，本发明选择的负极材料，可以诱导无锌枝晶(002)面的生成，避免电解液对无锌负极的腐蚀，延长电池的工作时间，提高二次锌空气电池的每圈循环比容量，这是因为，直接用锌片作为负极，在充电过程中，由于锌枝晶的生成，导致电池短路，所以充电容量不能太高，防止枝晶生长。而本发明提供的新型无锌负极材料可以诱导(002)面锌生长，所以没有锌枝晶的生成，充电容量提高从而提高电池的每圈循环容量，使其能够满足商业化应用需求。
本发明提供的无锌负极锌空气电池，通过继电器控制放电正极、充电正极的连通，可以有效解决放电(空气)电极被氧化的问题，充电电压低于2V，每圈充放电循环容量较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的无锌负极锌空气电池的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的锌空气电池的充放电曲线；
图3是本发明实施例2提供的锌空气电池的充放电曲线；
图4是本发明实施例3提供的锌空气电池的充放电曲线；
图5是本发明实施例4提供的锌空气电池的充放电曲线；
图6是本发明实施例5提供的锌空气电池的充放电曲线；
图7是本发明实施例6提供的锌空气电池的充放电曲线；
图8是本发明对比例1提供的锌空气电池的充放电曲线；
图9是本发明实施例1和对比例1、2循环后负极的XRD图；
图10是本发明对比例1运行后锌片的照片；
图11是本发明对比例2提供的锌空气电池的充放电曲线；
附图标记：
1、放电正极；2、充电正极；3、无锌负极；4、继电器。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例制备了一种无锌负极锌空气电池，其电池结构如图1所示，包括放电正极1，充电正极2和无锌负极3，所述放电正极1，充电正极2和无锌负极3平行设置，并浸入装有电解液的反应空间中。充电时，通过继电器4将亲电解液的充电正极2与电路接通，放电时，通过继电器4将疏电解液的放电正极1与电路接通。
所述无锌负极锌空气电池的具体制备过程包括以下步骤：
S1、将0.8g单原子铁催化剂、0.1g科琴黑和0.1g聚四氟乙烯(分子量500 万)按照质量比为8:1:1配比，加入5g水和0.5g乙醇，研磨30分钟，干燥后，压至成膜(尺寸200cm2)，滚压至尺寸200cm2碳布(中国台湾碳能厂家型号W1S1009) 上，得到放电电极；
S2、将镍铁氢氧化物催化剂水热生长至泡沫镍基底，具体水热生长的操作为：5g硝酸镍、12.6g硝酸铁、1g尿素、200cm2的泡沫镍和500ml水加入水热釜中，在150℃反应5小时，制备得到充电正极；
S3、尺寸200cm2的锡片直接作为无锌负极。
S4、上述三个电极，通过导线和继电器依次连接，电解液(6mol/L氢氧化钾，0.4mol/L醋酸锌和饱和氧化锌)通过泵在电池内循环，充电时，继电器自动连接充电电极,放电时，继电器自动断开充电电极连接放电电极。充电电流密度为10mA/cm2,时间为100小时；放电电流密度为10mA/cm2，放电深度为 80％，即放电时间为80小时。
如图2所示，无锌负极空气电池可以稳定工作2900小时以上。图9是本发明实施例1和对比例1、2循环后负极的XRD图，从图中可以看出，锌主要是 002面组成，而002面是层状结构，可以抑制枝晶。
实施例2
本实施例制备了一种无锌负极锌空气电池，其结构同实施例1，制备方法具体包括以下步骤：
S1、将0.6g氧化钴、0.3g碳纳米管(南京先丰纳米科技有限公司，XFM115) 和0.2gNafion(中文名称全氟磺酸树脂，厂家美国杜邦公司)按照质量比6:3:2 配比，加入5g异丙醇，超声60分钟，干燥后，滴涂至碳纸(厂家日本东丽型号TGP-H-060)上，得到放电电极；
S2、将1g硫化钴催化剂喷涂至尺寸100cm2碳纸(厂家美国Avcard型号 MGL280)，制备得到充电正极；
S3、尺寸200cm2的铜片直接作为无锌负极。
S4、上述三个电极，通过导线和继电器依次连接，电解液(6mol/L氢氧化钾，0.2mol/L氯化锌、0.01mol/L硬脂酸锌和饱和酞菁锌)通过泵在电池内循环，充电时，继电器自动连接充电电极，放电时，继电器自动断开充电电极连接放电电极。充电电流密度为30mA/cm2,时间为40小时；放电电流密度为30 mA/cm2，放电深度为84％，即放电时间为80小时。
如图3所示，无锌负极空气电池可以稳定工作约1120小时以上。
实施例3
本实施例制备了一种无锌负极锌空气电池，其结构同实施例1，制备方法具体包括以下步骤：
S1、将0.4g硫化钴、0.4g 20wt％Pt/C、0.1g石墨烯和0.1g聚偏氟乙烯(分子量100万)按照4:4:1:1配比，加入10g NMP，搅拌120分钟，干燥后，滴涂至尺寸600cm2碳纸(厂家西格里型号28BC)上，得到放电电极；
S2、将0.4g氧化钌、0.4g磷化铁和0.2g Nafion按照4:4:2配成浆料，滴涂至尺寸600cm2钛网上，制备得到充电正极；
S3、尺寸600cm2碳毡(厂家翼隆盛型号GF065)直接作为无锌负极。
S4、上述三个电极，通过导线和继电器依次连接，电解液(6mol/L氢氧化钾，0.05mol/L氯化锌和饱和氧化锌)通过泵在电池内循环，充电时，继电器自动连接充电电极，放电时，继电器自动断开充电电极连接放电电极。充电电流密度为20mA/cm2,时间为50小时；放电电流密度为20mA/cm2，放电深度为 70％，即放电时间为40小时。
如图4所示，无锌负极空气电池可以稳定工作720小时以上。
实施例4
本实施例制备了一种无锌负极锌空气电池，其结构同实施例1，制备方法具体包括以下步骤：
S1、将0.06g氮化铁、0.04g硫化钼、0.07g氧化锰、0.02gSuper-P和0.01g PTFE (厂家东莞市展阳高分子材料有限公司型号301)按照6:4:7:2:1配比，加5g水，超声120分钟，压至尺寸20cm2不锈钢基底，得到放电电极；
S2、将0.05g硫化钒、0.03g氧化镍、0.01g羧甲基纤维素钠、0.01g丁苯橡胶(厂家东莞市广业塑胶原料有限公司型号792)按照5:3:1:1配成浆料，滴涂至尺寸600cm2钛网上，制备得到充电正极；
S3、尺寸30cm2金属铋直接作为无锌负极。
S4、上述三个电极，通过导线和继电器依次连接，电解液(6mol/L氢氧化钾，0.5mol/L硫酸锌和0.2mol/L碘化锌)通过泵在电池内循环，充电时，继电器自动连接充电正极，放电时，继电器自动断开充电正极连接放电正极。充电电流密度为10mA/cm2,时间为10小时；放电电流密度为10mA/cm2，控制放电深度75％，即放电时间为7.5小时，循环4圈后，充电时间为100小时，放电截止电位为1.05V。
如图5所示，无锌负极空气电池可以稳定工作700小时以上。
实施例5
本实施例制备了一种无锌负极锌空气电池，其结构同实施例1，制备方法具体包括以下步骤：
S1、将单原子铁修饰的四氧化三钴溶剂热生长至尺寸50cm2碳布(厂家和森型号HCP330N)上，具体溶剂热生长的方法为：0.8g醋酸钴、0.8ml氨水依次加入100ml水混合均匀后，加入50cm2碳布，在60度下加热搅拌2小时，之后再加入水热釜中加热至120度，保温是2小时；得到放电电极；
S2、将铱单原子通过浸渍80℃加热负载在尺寸50cm2碳纸(厂家昆山迈鹏辰电子科技有限公司型号301S)，制备得到充电正极；
S3、镀锡的尺寸50cm2铜网接作为无锌负极。
S4、上述三个电极，通过导线和继电器依次连接，电解液(4mol/L氢氧化钾和饱和氯化锌)通过泵在电池内循环，充电时，继电器自动连接充电正极,放电时，继电器自动断开充电正极连接放电正极。充电电流密度为10mA/cm2,时间为50小时；放电电流密度为10mA/cm2，控制放电深度为75-85％。
如图6所示，无锌负极空气电池可以稳定工作950小时以上。
实施例6
本实施例制备了一种无锌负极锌空气电池，其结构同实施例1，制备方法具体包括以下步骤：
S1、将0.02g氧化锰、0.05g单原子铈、0.1g铁钴双金属单原子(双原子摩尔比1:2)催化剂、0.1g BP2000和0.2g PTFE(厂家日本大金型号D-110)按照2:5:10:10:20配比，加10g水，研磨120分钟，压至尺寸100cm2碳布(厂家昆山钦发电站科技有限公司型号QF-TB)，得到放电电极；
S2、将1g硫化镍和2g硫化铁加热回流生长至尺寸120cm2镍网，制备得到充电正极；
S3、尺寸100cm2镀铟的碳毡(厂家北京晶龙特碳石墨厂，型号12-10012) 直接作为无锌负极。
S4、上述三个电极，通过导线和继电器依次连接，电解液(10mol/L氢氧化钾、0.05mol/L硝酸锌和1mol/L硫酸锌)通过泵在电池内循环，充电时，继电器自动连接充电正极，放电时，继电器自动断开充电正极连接放电正极。充电电流密度为50mA/cm2,时间为10小时；放电电流密度为50mA/cm2，控制放电深度为70-85％。
如图7所示，无锌负极空气电池可以稳定工作500小时以上。
对比例1
本对比例采用市面购买的商业氧化铱(IrO2)和铂碳催化剂(20wt％Pt/C)作为正极材料，锌片作为负极材料，制备锌空气电池，具体过程包括以下步骤：
S1、0.09g IrO2、0.09g 20wt％Pt/C、0.01g导电剂、0.01gPTFE(厂家苏州荣速塑化有限公司型号4DCD)按照质量比为9:9:1:1混合后，制备尺寸50cm2正极膜，辊压至尺寸50cm2碳布(厂家上海力硕复合材料科技有限公司型号 049)，作为正极极片；
S2、锌片裁剪至尺寸50cm2，作为负极；
S3、正极极片和负极组装成传统两电极锌空气电池，电解液为6mol/L氢氧化钾，0.2mol/L醋酸锌和饱和氧化锌。所组装的锌空气电池先放电后充电，电流密度为10mA/cm2,充放电时间各为30小时。电池充放电曲线如图8所示，循环50小时后，电压差大于2V，此外，电池仅仅工作275小时就失效，失效的原因是锌片被腐蚀，如图10所示。
对比例2
本对比例制备了一种锌空气电池，制备方法具体包括以下步骤：
S1、将0.6g氧化钴、0.3g碳纳米管(苏州碳丰石墨烯科技有限公司， TF-25001)和0.2g Nafion(中文名称全氟磺酸树脂，厂家麦克林)按照质量比 6:3:2配比，加入50g异丙醇，超声60分钟，干燥后，滴涂至200cm2碳纸(厂家北京新亚恒奥科技有限公司型号HCP030N)上，得到放电电极；
S2、将2g硫化钴催化剂喷涂至尺寸200cm2碳纸(厂家日本东丽型号 TGP-H-060)，制备得到充电正极；
S3、尺寸200cm2的锌片直接作为无锌负极。
S4、上述三个电极，通过导线和继电器依次连接，电解液(6mol/L氢氧化钾，0.2mol/L氯化锌、0.01mol/L硬脂酸锌和饱和酞菁锌)通过泵在电池内循环，充电时，继电器自动连接充电电极，放电时，继电器自动断开充电电极连接放电电极。充电电流密度为30mA/cm2,时间为20小时；放电电流密度为30 mA/cm2，放电深度为80％，即放电时间为16小时。
电池充电曲线如图11所示，电池仅仅工作330多小时就失效，失效原因是锌枝晶生成导致电池短路。
其中，电流密度、每圈循环比容量、电压差、稳定运行时间的测试结果见下表：
表1
从上表中的数据可以看出，采用诱导(002)面锌生长的无锌负极可以提高二次锌空气电池循环寿命(稳定时间)和每圈循环比容量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种无锌负极锌空气电池，其特征在于，包括放电正极，充电正极和无锌负极，其中，所述无锌负极的选自铜、锡、银、金、铟、铋、碳纸、碳毡中的至少一种或者其中金属形成的复合材料；
所述放电正极和充电正极相邻设置；
充电时，无锌负极通过继电器与充电正极组成工作回路；
放电时，无锌负极通过继电器与放电正极组成工作回路。
2.根据权利要求1所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，所述无锌负极选自锡、铟、铋、碳纸或碳毡中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，所述放电正极，充电正极和无锌负极平行设置，并浸入电解液中。
4.根据权利要求3所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，所述放电正极包括氧还原反应催化剂。
5.根据权利要求4所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，所述氧还原反应催化剂选自单原子催化剂、铂碳催化剂、金属氧化物、金属氮化物和金属硫化物中具有氧还原反应催化活性的材料中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，将氧还原反应催化剂直接生长至基底上，或者，将氧还原反应催化剂与疏水粘结剂、导电剂制成浆料，涂覆或压至基底上，得放电正极；
所述氧还原反应催化剂、疏水粘结剂、导电剂三者的质量比为(1-9):(0.05-3): (0.1-5)；
所述疏水粘结剂选自聚四氟乙烯(PTFE)、全氟磺酸树脂(Nafion)、聚偏氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲硅氧烷、聚酯和聚氨酯的至少一种；
所述导电剂选自乙炔黑、炭黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
7.根据权利要求3所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，所述充电正极包括氧析出反应催化剂；
所述氧析出反应催化剂选自单原子催化剂、金属氧化物、金属氮化物和金属硫化物中具有氧析出反应活性的材料中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，将氧析出反应催化剂直接生长至基底上，或者，将氧析出反应催化剂与亲水粘结剂、导电剂制成浆料，涂覆或压至基底上，得放电正极；
所述氧析出反应催化剂、亲水粘结剂、导电剂三者的质量比为(1-9):(0.05-3): (0.1-5)；
所述亲水粘结剂选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和聚烯烃类聚合物中的至少一种。
9.根据权利要求4-8任一项所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，电解液为含锌化合物的碱性电解液；
所述含锌化合物为无机锌盐、有机锌盐、氧化锌中的至少一种；所述含锌化合物选自醋酸锌、氧化锌、氯化锌、硫酸锌、碘化锌、硝酸锌、二甲基丙烯酸锌、酞菁锌和硬脂酸锌中的至少一种；
电解液中锌离子的浓度为 0.01-0.4 mol/L。
10.根据权利要求6或8所述的无锌负极锌空气电池，其特征在于，所述基底为碳布、碳纸、碳毡、泡沫镍和钛网中的至少一种。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101442140A (zh) * | 2007-11-22 | 2009-05-27 | 比亚迪股份有限公司 | 非水电解液及其制备方法和含有该电解液的锂离子电池 |
| CN102569832A (zh) * | 2010-12-09 | 2012-07-11 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种锌溴液流储能电池负极电极及其制备方法 |
| WO2014103943A1 (ja) * | 2012-12-26 | 2014-07-03 | 株式会社日立製作所 | ハイブリッド亜鉛電池 |
| WO2015111803A1 (ko) * | 2014-01-27 | 2015-07-30 | 울산대학교 산학협력단 | 아연공기 이차전지 및 이의 제조방법 |
| CN105098292A (zh) * | 2015-07-28 | 2015-11-25 | 清华大学 | 一种水平式三电极电化学可充的锌空气电池 |
| KR20160097413A (ko) * | 2015-02-06 | 2016-08-18 | 울산대학교 산학협력단 | 아연공기 2차 전지 및 이의 제조방법 |
| CN111916720A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-11-10 | 山东大学 | 水系可充锌离子电池合金型负极材料及其制备方法与应用 |
| CN113036152A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-25 | 山东大学 | 一种高能量密度、高安全无负极锌金属电池及其制备方法和应用 |
-
2021
- 2021-10-20 CN CN202111221329.7A patent/CN114156572B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101442140A (zh) * | 2007-11-22 | 2009-05-27 | 比亚迪股份有限公司 | 非水电解液及其制备方法和含有该电解液的锂离子电池 |
| CN102569832A (zh) * | 2010-12-09 | 2012-07-11 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种锌溴液流储能电池负极电极及其制备方法 |
| WO2014103943A1 (ja) * | 2012-12-26 | 2014-07-03 | 株式会社日立製作所 | ハイブリッド亜鉛電池 |
| WO2015111803A1 (ko) * | 2014-01-27 | 2015-07-30 | 울산대학교 산학협력단 | 아연공기 이차전지 및 이의 제조방법 |
| KR20160097413A (ko) * | 2015-02-06 | 2016-08-18 | 울산대학교 산학협력단 | 아연공기 2차 전지 및 이의 제조방법 |
| CN105098292A (zh) * | 2015-07-28 | 2015-11-25 | 清华大学 | 一种水平式三电极电化学可充的锌空气电池 |
| CN111916720A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-11-10 | 山东大学 | 水系可充锌离子电池合金型负极材料及其制备方法与应用 |
| CN113036152A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-25 | 山东大学 | 一种高能量密度、高安全无负极锌金属电池及其制备方法和应用 |
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