CN114204165A - 一种纽扣型锗空气电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纽扣型锗空气电池的制备方法。该电池包括正极壳、空气电极、凝胶电解质、锗片和负极壳,所述正极壳上设置若干个气孔。该空气电池制备方法简单;采用凝胶电解质可以有效地防止电解液漏液的问题,凝胶电解质流动性差,可以防止电池内正负极接触而短路的问题;采用锗片表现出稳定的长期放电曲线;并且具有较高的功率和能量密度,在微/纳机电系统的电源供应、助听器等领域有潜在的应用。
Description
技术领域
本发明涉及纽扣空气电池技术领域,特别涉及一种纽扣型锗空气电池的制备方法。
背景技术
锂离子电池具有较高的能量效率和循环能力,已经占据了市场的大部分份额。然而,考虑到其低存储容量、安全问题、潮湿气候下锂的不稳定性和低电化学效率,有必要研究其他电池技术。在潜在的候选电池中,金属空气电池以其高能量密度脱颖而出,此外金属空气电池体积小、成本低、重量轻、环保,在为汽车、工业设备、计算机、电子设备、助听器和大量实用工具提供动力方面具有很高的前景。尽管这些金属-空气电池具有高能量,但其中大多数金属阳极(如铝、镁)在放电过程中立即钝化会严重降低可用能量,并使其余阳极无法使用。因此,改善这些阳极的放电行为,或者寻找比先前报道的阳极具有更好放电动力学的新化学物质具有重要意义。一种新型的半导体-空气电池,运行在锗阳极上,相对于传统的金属阳极具有非常高的安全稳定性和体积容量密度(Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15:6333—6338;Phys.Chem.Chem.Phys.,2014,16:22487—22494;ChemElectroChem,2016,3:242–246)。
近年来,人类对便携式电子产品的需求越来越大,各类电子器件的设计均倾向于体积小、重量轻,因此对与其相匹配的微型供能系统的需求也是日益增长。目前,锗空气电池主要采用空气电池模具进行组装(Phys.Chem.Chem.Phys.,2014,16:22487-22494),体积较大,限制了该类电池在便携式电子产品上的应用。另外,用模具组装容易造成漏液问题,主要是因为内部结构不紧凑和封口工艺的差异。
发明内容
本发明的目的是提供一种纽扣型锗空气电池的制备方法,使得空气电池更加适用于在便携式电子产品上应用,并且凝胶型电解质可以防止电池漏液问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种纽扣型锗空气电池的制备方法,包括设置若干个气孔的正极壳、空气电极、凝胶电解质、锗片和负极壳,包括以下步骤:
S1、将锗片、负极壳和设置若干个气孔的正极壳放入无水乙醇中超声清洗,以去除其表面杂质;
S2、在KOH溶液中加入羧甲基纤维素(CMC)及附加粘合剂配制凝胶电解质;
S3、在空气电极表面涂抹Pt/C催化涂层获得空气阴极;
S4、先将步骤S1得到的锗片放入负极壳中,再将步骤S2得到的凝胶电解质装满整个负极壳,然后将步骤S3得到的空气阴极放进步骤S1得到的正极壳中,最后将正极壳及负极壳组合成电池用封装机进行封装,组装成纽扣型锗空气电池。
进一步优选的,在步骤S2中,所述的凝胶电解质中羧甲基纤维素(CMC)的质量比为5wt%~30wt%;KOH的浓度为0.1M~10M。
进一步优选的,在步骤S2中,所述附加粘合剂种类包括但不限于羧甲基纤维素(CMC)和聚乙烯醇(PVA)。
进一步优选的,在步骤S3中,所述催化层使用的催化剂涂层浆料由以下方法制得:将1~5mg催化剂,100~500μL醇和200~1000μL质子传导聚合物溶液混合并超声分散制成催化剂涂层浆料;所述催化层使用的催化剂包括但不限于Pt/C和PtRu/C;醇包括但不限于异丙醇、乙醇和乙二醇;质子传导聚合物包括Nafion溶液。
进一步优选的,所述空气电极由镍网、防水层、碳布依次集成。
进一步优选的,所述正极壳上的气孔数量为10~25个,所述气孔的直径为0.5~2.0mm。
进一步优选的,所述锗片还可用硅片、铝片、锌片及铁片的任意一种替换。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
其一、由于在正极壳上设置了若干气孔,保证了充足的空气能够进入纽扣型电池,提高了纽扣型锗空气电池的放电能力;
其二、采用凝胶型电解质,由于其流动性差,可以隔开电池正负极有效地防止电池短路,还可以有效地防止电池长时间贮存后的漏液问题;
其三、采用本发明提供的方法,工艺简单可靠、价格低廉,适合大规模工业化生产。
其四、本发明采用锗片表现出稳定的长期放电曲线,并且具有较高的功率和能量密度。
附图说明
图1是本发明实施例纽扣型锗空气电池的结构示意图;
图2是本发明实施例纽扣型锗空气电池的实物图;
图3是本发明实施例1和实施例2得到的纽扣型锗空气电池放电测试图。
图中:1、正极壳;2、镍网;3、碳布;4、凝胶电解质;5、锗片;6、负极壳;7、催化剂涂层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参照图1-2,一种纽扣型锗空气电池的制备方法,包括设置若干个气孔的正极壳1(19个气孔,气孔直径为1mm)、空气电极(空气电极由镍网2、防水层、碳布3依次集成)、凝胶电解质4、锗片5(尺寸:半径0.7cm)和负极壳6,包括以下步骤:
S1、将锗片5、负极壳6和设置若干个气孔的正极壳1放入无水乙醇中超声清洗,以去除其表面杂质;
S2、取6M KOH溶液4.25mL和CMC粉末0.75g,将两者混合均匀制得CMC含量15wt%的凝胶电解质4;
S3、取2.8mg Pt/C催化剂,依次加入700μL Nafion溶液和300μL异丙醇,将混合溶液超声分散30min制成催化剂涂层7浆料,再将催化剂涂层7浆料涂抹于空气电极的碳布3面上自然晾干,制得空气阴极;
S4、先将步骤S1得到的锗片5放入负极壳6内,再将步骤S2得到的凝胶电解质4装满整个负极壳6,然后将步骤S3得到的空气阴极放进步骤S1得到的正极壳1内压紧,最后将正极壳1及负极壳6组合成电池用封装机进行封装,组装成纽扣型锗空气电池。
实施例2
参照图1-2,一种纽扣型锗空气电池的制备方法,包括设置若干个气孔的正极壳1(19个气孔,气孔直径为1mm)、空气电极(空气电极由镍网2、防水层、碳布3依次集成)、凝胶电解质4、锗片5(尺寸:半径0.7cm)和负极壳6,包括以下步骤:
S1、将锗片5、负极壳6和设置若干个气孔的正极壳1放入无水乙醇中超声清洗,以去除其表面杂质;
S2、取6M KOH溶液4.10mL和CMC粉末0.90g,将两者混合均匀制得CMC含量18wt%的凝胶电解质4;
S3、取2.8mg Pt/C催化剂,依次加入700μL Nafion溶液和300μL异丙醇,将混合溶液超声分散30min制成催化剂涂层7浆料,再将催化剂涂层7浆料涂抹于空气电极的碳布3面上自然晾干,制得空气阴极;
S4、先将步骤S1得到的锗片5放入负极壳6内,再将步骤S2得到的凝胶电解质4装满整个负极壳6,然后将步骤S3得到的空气阴极放进步骤S1得到的正极壳1内压紧,最后将正极壳1及负极壳6组合成电池用封装机进行封装,组装成纽扣型锗空气电池。
设置实验
将实施例1组装的纽扣电池(a)及实施例2组装的纽扣电池(b),开路电压0.8V,65μA/cm2恒流放电,实验结果参照图3。从图3可以看出,纽扣电池(a)及纽扣电池(b)的平均放电电压都高于0.5V,放电时长都高于150小时,采用锗片表现出稳定的长期放电曲线,并且具有较高的功率和能量密度。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种纽扣型锗空气电池的制备方法,包括设置若干个气孔的正极壳(1)、空气电极、凝胶电解质(4)、锗片(5)和负极壳(6),其特征在于,包括以下步骤:
S1、将锗片(5)、负极壳(6)和设置若干个气孔的正极壳(1)放入无水乙醇中超声清洗,以去除其表面杂质;
S2、在KOH溶液中加入羧甲基纤维素(CMC)及附加粘合剂配制凝胶电解质(4);
S3、在空气电极碳布(3)表面涂抹Pt/C催化涂层获得空气阴极;
S4、先将步骤S1得到的锗片(5)放入负极壳(6)中,再将步骤S2得到的凝胶电解质(4)装满整个负极壳(6),然后将步骤S3得到的空气阴极放进步骤S1得到的正极壳(1)中,最后将正极壳(1)及负极壳(6)组合成电池用封装机进行封装,组装成纽扣型锗空气电池。
2.根据权利要求1所述的一种纽扣型锗空气电池的制备方法,其特征在于:在步骤S2中,所述的凝胶电解质(4)中羧甲基纤维素(CMC)的质量比为5wt%~30wt%;KOH的浓度为0.1M~10M。
3.根据权利要求1所述的一种纽扣型锗空气电池的制备方法,其特征在于:在步骤S2中,所述附加粘合剂种类包括但不限于羧甲基纤维素(CMC)和聚乙烯醇(PVA)。
4.根据权利要求1所述的一种纽扣型锗空气电池的制备方法,其特征在于:在步骤S3中,所述催化层使用的催化剂涂层(7)浆料由以下方法制得:将1~5mg催化剂,100~500μL醇和200~1000μL质子传导聚合物溶液混合并超声分散制成催化剂涂层(7)浆料;所述催化层使用的催化剂包括但不限于Pt/C和PtRu/C;醇包括但不限于异丙醇、乙醇和乙二醇;质子传导聚合物包括Nafion溶液。
5.根据权利要求1所述的一种纽扣型锗空气电池的制备方法,其特征在于:所述空气电极由镍网(2)、防水层、碳布(3)依次集成。
6.根据权利要求1所述的一种纽扣型锗空气电池的制备方法,其特征在于:所述正极壳(1)上的气孔数量为10~25个,所述气孔的直径为0.5~2.0mm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种纽扣型锗空气电池的制备方法,其特征在于:所述锗片(5)还可用硅片、铝片、锌片及铁片的任意一种替换。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220318 |