[發明專利]一種柔性中性鋅空氣電池及其制備方法

在審

• 申請號: 202111164359.9
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN113937304A
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 夏寶玉;何超慧
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 陳燦

本發明屬于空氣電池技術領域，具體涉及一種柔性中性鋅空氣電池及其制備方法。本發明制備方法包括以下步驟：(1)將鈷金屬有機框架材料包覆鋅金屬有機框架材料ZIF8@ZIF67熱解后摻雜非金屬原子，獲得非金屬原子摻雜的多孔氮碳；將無機鹽加入聚合物水溶液中混合均勻后冷凝獲得固態電解質；(2)以金屬鋅作為負極，所述非金屬原子摻雜的多孔氮碳作為正極，所述固態電解質作為電解質，組裝柔性中性鋅空氣電池。本發明將具有核殼結構的ZIF8@ZIF67材料熱解、摻雜便可得到一種多孔碳復合材料，具有獨特的電子結構和組分，因此在中性環境下具有較高的氧還原、氧析出催化活性以及出色的穩定性。

技術領域

本發明屬于空氣電池技術領域，具體涉及一種柔性中性鋅空氣電池及其制備方法。

背景技術

金屬空氣電池的比容量和能量密度通常高于現有電池，因為電池內部不需要儲存空氣，有望成為具有高能量密度和低成本的電化學存儲系統。金屬空氣電池使用純金屬作為陽極，外部氧氣(O₂)的氧化還原反應作為陰極反應。在放電過程中，金屬陽極被氧化而空氣中的O₂被還原。其中，鋅空氣電池(ZABs)因其使用不可燃水性電解質和無毒鋅的固有安全性、低成本和高理論比能量密度備受人們青睞。

傳統的ZABs使用堿性電解質，受到電解質的高腐蝕性和快速碳酸化以及充電和放電循環期間鋅枝晶形成的限制。堿性電解質碳酸化導致離子電導率降低，而鋅枝晶導致器件短路。兩者都不利于ZAB的使用壽命和可回收性。目前的研究主要集中在堿性ZABs上，但是堿性電解質的腐蝕和碳化問題仍然沒有得到有效的解決。因此，開發中性電解質代替堿性電解質對于鋅-空電池的長期發展意義重大。

然而，相比于堿性電解質，中性介質通常具有較低的離子電導率和極低的OH^-濃度，這會導致充電過程中的析氧反應(OER)和放電過程中的氧還原反應(ORR)動力學更加緩慢。因此，迫切需要開發一種適用于中性環境的高活性和耐用性雙功能催化劑，以最大限度地提高中性ZAB的性能。

所以，現有技術仍缺乏一種使用中性介質電解質、具有高活性和耐用性的柔性中性鋅空氣電池。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種柔性中性鋅空氣電池的制備方法，其目的在于通過一種簡單有效的熱解法制備出尺寸均一的多邊形共摻雜的陰極催化材料，其對中性鋅空氣電池的陰極催化反應展現出優異的電催化活性和穩定性。同時利用常見的鹽水溶液與PVA復合制備出一種柔性電解質。通過將該發明制備的陰極催化材料與固態電解質復合組裝成的中性柔性鋅-空電池在放電過程中展現出較高的功率密度和良好的穩定性，可滿足有關領域應用和發展的要求。本發明的詳細技術方案如下所述。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種柔性中性鋅空氣電池的制備方法，包括以下步驟：

(1)將鈷金屬有機框架材料包覆鋅金屬有機框架材料ZIF8@ZIF67熱解后摻雜非金屬原子，獲得非金屬原子摻雜的多孔氮碳；將無機鹽加入聚合物水溶液中混合均勻后冷凝獲得固態電解質；

(2)以金屬鋅作為負極，所述非金屬原子摻雜的多孔氮碳作為正極，所述固態電解質作為電解質，組裝柔性中性鋅空氣電池。

作為優選，所述摻雜為氣化摻雜或溶劑化學吸附法摻雜。

作為優選，所述氣化摻雜為將含有非金屬的前驅體氣化后負載在熱解后的鈷金屬有機框架材料包覆鋅金屬有機框架材料ZIF8@ZIF67上。

作為優選，所述溶劑化學吸附法摻雜為將含有非金屬的前驅體配置為前驅體溶液，熱解后的鈷金屬有機框架材料包覆鋅金屬有機框架材料ZIF8@ZIF67吸附前驅體溶液通過化學鍵配位完成摻雜。

作為優選，所述非金屬原子為磷、硫、硼、氯和氮中的至少一種；