[發(fā)明專利]一種具有液態(tài)合金改性陽極的紙基鋁空氣電池及制備方法

有效

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• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111668450B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設計）人: 高錢;王宏超
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M4/06
• 分類號: H01M4/06;H01M4/08;H01M12/06
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 杜森垚

本發(fā)明公開了一種具有液態(tài)合金改性陽極的紙基鋁空氣電池，由三層結(jié)構(gòu)組成，具體為依次疊加的鋁陽極、紙基、空氣電極；其中，鋁陽極表面負載有液態(tài)合金微粒。液態(tài)合金微粒由Ga、In、Sn、Bi、Zn中的兩種或多種組成，并且在鋁空氣電池工作溫度下為液態(tài)。鋁陽極表面負載的液態(tài)合金微粒可以很好地活化鋁陽極，在中性電解液中放電性能良好，放電時間長，可滿足小功率市場應用。本發(fā)明公開了一種具有液態(tài)合金改性陽極的紙基鋁空氣電池的制備方法。

技術領域

本發(fā)明屬于金屬空氣電池領域，涉及一種廉價綠色新型紙基鋁空氣電池，具體涉及一種具有液態(tài)合金改性陽極的紙基鋁空氣電池及其制備方法。

背景技術

一次電池作為一次性電源，通常在不能充電或不必要的充電情況下使用。目前市場上涌現(xiàn)出多種多樣的小型功率設備(如醫(yī)療保健生物傳感器，醫(yī)學診斷分析，可穿戴電子設備，智能包裝等)，并占據(jù)相當大的市場份額。這些設備大多價格低廉且僅消耗mW甚至uW功率，在使用后即被丟棄，因此需要一種價格低廉、輕巧便攜并且綠色環(huán)保的電源與之匹配。

金屬空氣電池采用不同金屬材料作陽極，空氣陰極直接利用空氣中的氧氣，使得其具有更高的能量密度。在金屬空氣電池常用陽極材料有Zn、Mg、Al、Li、Fe等。其中鋁元素由于儲量豐富，價格低廉并且能量密度大而受到人們關注。傳統(tǒng)鋁空氣電池由于涉及復雜的流體和氣體管理系統(tǒng)而不適合應用于低功率市場。近年來，纖維素紙被越來越多的應用于鋰離子電池，燃料電池，超級電容器，納米發(fā)電機等各領域中。在鋁空氣電池中，纖維素紙可以自動輸送電解質(zhì)，從而大大簡化了水管理系統(tǒng)；其輕巧柔軟，可以提高設備的能量密度和柔韌性。此外，纖維素成本低廉，是一種可再生綠色環(huán)保的材料。

由于紙基鋁空氣電池能量密度大、成本低廉、綠色環(huán)保而受到人們的關注，目前對紙基鋁空氣電池的研究主要集中在對紙張厚度、電解質(zhì)種類及濃度、陰極側(cè)活性等的參數(shù)優(yōu)化研究，尚未有人直接對鋁空氣電池鋁陽極進行表面改性研究。同時目前制得的紙基鋁空氣電池普遍存在放電時間短，鋁陽極利用率不足，中性電解液放電功率不足等問題。

近年來，液態(tài)合金由于它的低熔點(室溫下即為液態(tài))、導電性優(yōu)良、延展性極強而受到人們的關注。Ga-In-Sn液態(tài)合金已被用于可充電鋁空氣電池中(CN 110534847 A)以起到有效破碎負極Al在電化學反應中生成的鈍化膜的作用，液態(tài)金屬納米顆粒負載于負極，可以進一步有利于避免充放電過程中電池的鈍化。這也進一步表明合金元素Ga、In、Sn組成的液態(tài)合金確實可以活化鋁合金，然而其在活化鋁陽極的同時往往會帶來嚴重的析氫自腐蝕，嚴重的自腐蝕會降低鋁陽極的利用率，使鋁空氣電池提前失效。而合金元素Bi和Zn都屬于高析氫過電位元素，可以抑制鋁合金陽極的析氫腐蝕，提高鋁陽極的電流效率及的利用率，此外，合金元素Bi和Zn與Ga、In和Sn相比價格低廉，Bi和Zn的引入可以進一步降低電池成本，有利于其推廣應用。我們這里報道一種高陽極利用率的具有液態(tài)合金表面活化的即拋式新型紙基鋁空氣電池。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對目前一次紙空電池存在的缺陷，提出了一種具有液態(tài)合金改性陽極的紙基鋁空氣電池及其制備方法，成本低廉、綠色環(huán)保。

作為本發(fā)明的一方面，提供一種具有液態(tài)合金改性陽極的紙基鋁空氣電池，由三層結(jié)構(gòu)組成，具體為依次疊加的鋁陽極、紙基、空氣電極；其中，鋁陽極表面負載有液態(tài)合金微粒。鋁陽極表面負載的液態(tài)合金微粒可以很好地活化鋁陽極，在中性電解液中放電性能良好，放電時間長，可滿足小功率市場應用。

優(yōu)選的，所述液態(tài)合金微粒由Ga、In、Sn、Bi、Zn這五種元素組成，并且在鋁空氣電池工作溫度下為液態(tài)。

優(yōu)選的，所述鋁陽極表面的液態(tài)合金微粒負載量不小于1ug/cm²。

更為優(yōu)選的，所述鋁陽極表面的液態(tài)合金微粒負載量不小于10ug/cm²。

更為優(yōu)選的，所述液態(tài)合金微粒尺寸不大于5um。