CN114204167A - 基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的制备方法 - Google Patents

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杨一佳
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李硕
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Abstract

本发明涉及基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的制备方法，属于金属空气电池技术领域。包括如下步骤：制备海藻酸钠水凝胶溶液，以水凝胶溶液制备铁空气电池中水凝胶电解质或锌空气电池中水凝胶电解质，将水凝胶电解质逐滴加入到组装好的铁或锌空气电池溶液室中，将电池溶液室完全浸入氯化钙溶液中，待其凝胶化后取出，即得到基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池。本发明实现了电能—化学能—电能的高效转化，安全性高、经济美观，并解决了传统电池的漏液以及不易携带的问题。

Description

基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的制备方法
技术领域
本发明属于金属空气电池技术领域，具体涉及基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的制备方法。
背景技术
为了满足全球对清洁能源的需求，人们正在努力寻找更可靠和更高效的能源技术。目前锂离子电池占据电动汽车市场的绝大部分份额。然而，由于其存在安全性、续驶里程低、潮湿气候下锂的不稳定性和低电化学效率等问题，急需要研究其他电池技术。金属空气电池因其成本低、安全性好、能量密度高等特点脱颖而出，在众多的金属空气电池中，金属锌(Zn)具有较高的理论能量密度、安全性较好、原料丰富以及成本低等优点，金属铁(Fe)是世界上含量第四的元素，也是一种便宜、安全、环保的材料，这些特点使得锌和铁空气电池备受关注。
电解液是电池的重要组成部分，传统的液体电解液与电极的粘附性不强，可能存在泄漏问题，无法满足柔性电子器件的要求。因此，固体电解质如水凝胶因其较高的安全性以及易携带性而受到越来越多的关注。本发明用水凝胶替代了传统的水溶液作电解质，解决了现有电池中漏液、不易携带的问题，设计并组装了小型空气电池。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明用水凝胶电解质替代了传统的水溶液电解质，组装成可充电铁或锌空气电池，进行了充放电测试，经过测试表明该电池具有良好的性能。本发明实现了化学能、电能的转化，制备出的电池安全性高、便于携带、经济美观。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的制备方法，包括如下步骤：
1)组装可充电铁或锌空气电池溶液室；
2)制备水凝胶溶液；
3)制备铁空气电池中水凝胶电解质或锌空气电池中水凝胶电解质；
4)将步骤3)制备的铁或锌空气电池中水凝胶电解质逐滴加入到步骤1)组装好的可充电铁或锌电池溶液室中；
5)将步骤4)得到的可充电铁或锌电池溶液室完全浸入氯化钙溶液中，待电池溶液室中的水凝胶电解质凝胶化后取出，即得到基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池。
进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，可充电铁或锌空气电池溶液室的组装方法包括如下步骤：以铂片作空气电极，以铁或锌片作金属电极，将空气电极和金属电极分别固定在泡沫胶的上下两面，并用泡沫胶将侧面密封制成电池溶液室。
更进一步的，所述空气电极和金属电极不能接触。
进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，水凝胶溶液为质量分数为1％的海藻酸钠溶液。
更进一步的，质量分数为1％的海藻酸钠溶液的配制方法包括如下步骤：按1％配比准确称取海藻酸钠，将其加入相应体积的去离子水中，在70℃下使其完全溶解。
进一步的，上述的制备方法，步骤3)中，铁空气电池中水凝胶电解质的制备方法包括如下步骤：将水凝胶溶液与氢氧化钾溶液按体积比为2:1混合，混合均匀。
更进一步的，氢氧化钾溶液浓度为1mol/L。
进一步的，上述的制备方法，步骤3)中，所述锌空气电池中水凝胶电解质的制备方法包括如下步骤：将水凝胶溶液与含有氢氧化钾和二水合乙酸锌的混合液按体积比为2:1混合，混合均匀。
更进一步的，含有氢氧化钾和二水合乙酸锌的混合液中氢氧化钾的浓度为1mol/L，二水合醋酸锌的浓度为0.02mol/L。
进一步的，上述的制备方法，步骤5)中，氯化钙溶液浓度为5％(质量分数)。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用地球储量比较丰富的Fe、Zn金属为电极，节约了制备成本。
2、本发明将利用电催化效应，实现了电能—化学能—电能的高效转化，电池安全性高。
3、本发明用水凝胶替代了传统的电解质，解决了传统电池的漏液以及不易携带的问题，且经济美观。
附图说明
图1是本发明制备的水凝胶溶液实物图。
图2是基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的结构示意图。
图3.1是基于水凝胶电解质的可充电铁空气电池的实物图。
图3.2是基于水凝胶电解质的可充电锌空气电池的实物图。
图4是基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的充放电曲线图。
图5是基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的I-V曲线图。
图6.1是以基于水凝胶电解质的可充电铁空气电池组装好的在黑暗中点亮LED灯泡的实物图。
图6.2是以基于水凝胶电解质的可充电锌空气电池组装好的在黑暗中点亮LED灯泡的实物图。
图2中，1-铂片，2-铁或锌片，3-泡沫胶，4-水凝胶电解质。
具体实施方式
实施例1
(一)基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的制备
1)组装可充电铁或锌空气电池溶液室：以铂片作空气电极，以铁或锌片作金属电极，将空气电极和金属电极分别固定在泡沫胶的上下两面，并用泡沫胶将侧面密封制成电池溶液室，且空气电极和金属电极不能接触；
2)制备水凝胶溶液：按1％配比准确称取海藻酸钠，将其加入相应体积的去离子水中，在70℃下使其完全溶解，配制成质量分数为1％的海藻酸钠溶液；
3)制备铁空气电池中水凝胶电解质：将1％的海藻酸钠溶液与1mol/L的氢氧化钾溶液按体积比为2:1混合均匀；
4)制备锌空气电池中水凝胶电解质：将1％的海藻酸钠溶液与含有1mol/L氢氧化钾和0.02mol/L二水合乙酸锌的混合液按体积比为2:1混合均匀；
5)将制备好的铁空气电池中水凝胶电解质逐滴滴入可充电铁空气电池溶液室，然后将其完全浸入质量分数为5％的氯化钙溶液中，待电池溶液室中的水凝胶电解质凝胶化后取出，即得到基于水凝胶电解质的可充电铁空气电池；
6)将制备好的锌空气电池中水凝胶电解质逐滴滴入可充电锌空气电池溶液室，然后将其完全浸入质量分数为5％的氯化钙溶液中，待电池溶液室中的水凝胶电解质凝胶化后取出，即得到基于水凝胶电解质的可充电锌空气电池；
按照以上制备方法即得到基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池，其结构如图2所示，其实物图如图3.1、图3.2所示，以铂片作空气电极，以铁或锌片作金属电极，将空气电极和金属电极分别固定在泡沫胶的上下两面，且不能接触，并用泡沫胶将侧面密封制成电池溶液室，电池溶液室内为水凝胶电解质。
(二)基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的性能测试
1)充放电性能测试
如图4所示，以铂片作空气电极，基于水凝胶电解质的可充电铁空气电池在黑暗条件下充电电压为2.03V，放电电压为0.95V；以铂片作空气电极，基于水凝胶电解质的可充电锌空气电池在黑暗条件下充电电压为2.1V，放电电压为0.61V。
2)I-V曲线测试
如图5所示，以铂片作空气电极，基于水凝胶电解质的可充电铁空气电池在黑暗条件下的开路电压为0.38V，短路电流为4.8mA cm-2；以铂片作空气电极，基于水凝胶电解质的可充电锌空气电池在黑暗条件下的开路电压为0.64V，短路电流为1.2mA cm-2。
3)组装电池并点小灯泡
如图6.1所示，两节串联的基于水凝胶电解质的可充电铁空气电池将LED小灯泡点亮；如图6.2所示，两节串联的基于水凝胶电解质的可充电锌空气电池将LED小灯泡点亮。

Claims (10)

1.基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)组装可充电铁或锌空气电池溶液室；
2)制备水凝胶溶液；
3)制备铁空气电池中水凝胶电解质或锌空气电池中水凝胶电解质；
4)将步骤3)制备的铁空气电池中水凝胶电解质逐滴加入到步骤1)组装好的可充电铁电池溶液室中，将步骤3)制备的锌空气电池中水凝胶电解质逐滴加入到步骤1)组装好的可充电锌电池溶液室中；
5)将步骤4)得到的可充电铁或锌电池溶液室完全浸入氯化钙溶液中，待电池溶液室中的水凝胶电解质凝胶化后取出，即得到基于水凝胶电解质的可充电铁或锌空气电池。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述可充电铁或锌空气电池溶液室的组装方法包括如下步骤：以铂片作空气电极，以铁或锌片作金属电极，将空气电极和金属电极分别固定在泡沫胶的上下两面，并用泡沫胶将侧面密封制成电池溶液室。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述空气电极和金属电极不能接触。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述水凝胶溶液为质量分数为1％的海藻酸钠溶液。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述质量分数为1％的海藻酸钠溶液的配制方法包括如下步骤：按1％配比准确称取海藻酸钠，将其加入相应体积的去离子水中，在70℃下使其完全溶解。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述铁空气电池中水凝胶电解质的制备方法包括如下步骤：将水凝胶溶液与氢氧化钾溶液按体积比为2:1混合，混合均匀。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述氢氧化钾溶液的浓度为1mol/L。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述锌空气电池中水凝胶电解质的制备方法包括如下步骤：将水凝胶溶液与含有氢氧化钾和二水合乙酸锌的混合液按体积比为2:1混合，混合均匀。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述含有氢氧化钾和二水合乙酸锌的混合液中氢氧化钾的浓度为1mol/L，二水合醋酸锌的浓度为0.02mol/L。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述氯化钙溶液的浓度为5％。
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