一种亚铁离子/空气电池及其制备方法技术

一种亚铁离子/空气电池，是将碳粉压成片，作为负极；将银钴包覆的二氧化锰/石墨烯复合材料作为氧还原反应的催化剂，再以此催化剂制备气体扩散电极，用于电池的正极；在气体扩散电极的扩散层与负极之间加一塑料网格隔片后，将气体扩散电极与负极扣紧，负极的这一面与电解质溶液接触，气体扩散电极的催化层那一面直接与空气接触，组成一种亚铁离子/空气电池。其制备方法：（1）制备石墨烯负载的二氧化锰颗粒；（2）制备银钴包覆的二氧化锰/石墨烯纳米颗粒；（3）碳纸预处理；（4）制备气体扩散电极片；（5）制备电池负极；（6）组装亚铁离子/空气电池。本发明专利技术这种燃料电池由于没有采用离子交换膜，阳极反应和阴极反应在同一电解质溶液中进行，大大减小了电池电阻和电池成本，而且电池的正极和负极催化剂的成本均很低，是一种具有重要应用前景的新型电池。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术属于新能源
，具体涉及到一种亚铁离子/空气电池及其制造方法。技术背景随着的限的化石燃料的不断消耗，以及利用化石燃料来发电所引塌的严重的环境污染，人们逐渐认识到新能源的开发对我们日常生活、生产所带来的巨大意义。在目前所研究的新型能源中，醇/空气燃料电池，以及铁/空气电池受到各国技术工作者和科学家的广泛研究。它们各自具有明显的特点与不足：1.醇/空气燃料电池这类电池的正极反应是空气（氧气）的还原反应，负极反应是醇的氧化反应，正极与负极之间用离子交换膜隔开。电解质一般是酸性溶液或碱性溶液。为了使醇在负极上能有效氧化，所使用的催化剂主要是铂（Pt）或Pt基复合物，以及铂（Pd）或Pd基复合物，前者可以酸性和碱性电解质中有效催化醇的氧化，后者只能在碱性电解质中有效催化醇的氧化。这类醇/空气燃料电池具有燃料来源广、能量密度较高的优点，适合于作为移动式电源的应用领域，但其不足也是显而易见的，主要包括：（1）电极催化剂成本高：电极催化剂主要是Pt,Pd或它们与其它金属形成的复合物，成本高，加上Pt（或Pd）在地球上的资源有限，严重限制了这类电池的实际应用。（2）使用离子交换膜不仅增加了成本，也使电池结构复杂：离子交换膜在整个电池中的成本约为20-30%，而且使用离子交换膜导致电池结构复杂，为电池的维护、催化剂更换等带来极大困难，所以也严重制约了这类电池的商业化应用。（3）电池在运行过程中，催化剂容易被醇氧化的中间体产物毒化，从而失去活性，这样不利于电池的长期运行。2.铁/空气电池这种电池的正极反应也是氧气（空气）的还原反应，负极反应是铁（Fe）的氧化反应，电解质可以是酸性、中性或碱性，然而，虽然Fe在酸性溶液中容易氧化，但由此组成的铁/空气电池的自损耗很严重，即Fe在酸性溶液中容易氧化为Fe2+并放出氢气，所以在这种情况下，经常要对铁电极进行修饰，或在Fe中加入其它成份，这样来阻止Fe的自发溶解，但这些方法不能从根本上解决Fe的自损耗问题。虽然在中性或碱性溶液中，Fe的自发溶解速度降低，但Fe表面容易钝化，从而阻止了负极（即Fe）的进一步氧化反应。本专利技术提出了一种以亚铁离子（Fe2+）氧化为铁离子（Fe3+）的反应为负极反应、以空气（氧气）还原反应为正极反应的新型电池，为保证负极反应的电位足够小，在电解质中加入三乙醇胺（TEA）为络合剂；为保证这种电池能在无离子交换膜的情况下正常工作，本专利技术同时合成了一种氧还原反应的新型催化剂，即银钴包覆的二氧化锰/石墨烯复合材料（MnO2/Gr@AgCo）。电池的负极为碳粉。本专利技术的负极反应、正极反应分别为负极反应：Fe2+-TEA®Fe3+-TEA+eEo-=-0.808V正极反应：O2+4H++4e®2H2OEo+=1.226V电池的理论电压E=Eo+-Eo-=2.034V本专利技术采用在ETA存在下，Fe2+的氧化反应为电池的负极反应，原料来源广，成本低廉。正极为氧（空气）电极，无需额外成本。此外，本专利技术的电池的电压较高，能量密度较高，适合作为移动式或固定式电源使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种亚铁离子/空气电池,本专利技术还提供了一种亚铁离子/空气电池的制备方法。为实现上述目的，本专利技术的实施方案为：一种亚铁离子/空气电池，是将碳粉压成片，作为负极；将银钴包覆的二氧化锰/石墨烯复合材料（MnO2/Gr@AgCo）作为氧还原反应的催化剂，再以此催化剂制备气体扩散电极，用于电池的正极；在气体扩散电极的扩散层与负极之间加一塑料网格隔片后，将气体扩散电极与负极扣紧，负极的这一面与电解质溶液接触，气体扩散电极的催化层那一面直接与空气接触，组成一种亚铁离子/空气电池。作为优选，所述的气体扩散电极由催化层、导电体和扩散层组成。作为优选，所述电解质溶液为含三乙醇胺-亚铁离子络合物的电解质溶液。一种亚铁离子/空气电池的制备方法，包括以下步骤：（1）制备石墨烯（Gr）负载的二氧化锰颗粒(MnO2/Gr)；（2）制备银钴包覆的二氧化锰/石墨烯纳米颗粒（MnO2/Gr@AgCo）将硝酸银（AgNO3）、硝酸钴（Co(NO3)2×6H2O）和乙二醇混合，混合物常温下超声分散，之后加入MnO2/Gr颗粒，接着在不断搅拌下，将溶于乙二醇的40%（质量百分比）的硼氢化钠溶液逐滴加入，断续搅拌，过滤，所得固体用水洗至中性，40oC下真空干燥，得到银钴包覆的二氧化锰/石墨烯纳米颗粒（MnO2/Gr@AgCo）；（3）碳纸预处理在碳纸的其中一个面上涂覆一层聚四氟乙烯乳状液，室温干燥后，将其在350oC的温度下烧结，取出，冷至室温下，得到其中一面经憎水处理、另一面未经憎水处理的碳纸，待用；（4）制备气体扩散电极片将碳粉、MnO2/Gr@AgCo纳米颗粒、无水乙醇与Nafion溶液混合，在40oC下充分搅拌均匀，待部分乙醇蒸发后形成均匀的浓缩液，将该浓缩液涂覆在上述预处理碳纸的未经憎水处理的另一面上，乙醇完全挥发后，得到气体扩散电极片，待用；（5）制备电池负极将碳粉、无水乙醇和聚四氟乙烯乳状液的混合物在一定温度下加热、并不断搅拌，形成膏状物；将膏状物碾压成片状，在空气中晾干，均匀放置在不锈钢网的两个表面上，随后用压片机压成所需要的片状样品；将该片状样品放置马弗炉中，缓慢升温至400℃烧结，即得到电池的负极；（6）组装亚铁离子/空气电池在一个气体扩散电极片的催化剂层上依次放上橡胶垫圈、塑料网格隔片、橡胶垫片、负极片、橡胶垫片、塑料网格隔片、橡胶垫圈、另一个气体扩散电极片的催化剂层，并用螺杆固定，使两个气体扩散电极片的憎水层与空气直接接触，在塑料网格隔片所隔开的空腔内注入含三乙醇胺-亚铁离子络合物的电解质溶液，从而组成一种亚铁离子/空气电池。所述硝酸银（AgNO3）、硝酸钴（Co(NO3)2×6H2O）、乙二醇、MnO2/Gr颗粒和硼氢化钠溶液的比例为90~110mg：40~45mg：8~12ml：（250~630mg）：10~30ml。所述硝酸银（AgNO3）、硝酸钴（Co(NO3)2×6H2O）、乙二醇、MnO2/Gr颗粒和硼氢化钠溶液的比例为100mg：43mg：10ml：（250~630mg）：20ml。步骤(3)中，所述碳纸的厚度为2mm；步骤（3）、(5)中，所述聚四氟乙烯乳状液的浓度为30~60%。步骤（4）中，所述碳粉、MnO2/Gr@AgCo纳米颗粒、无水乙醇与Nafion溶液的配比为(1~5mg):(2~10mg):(2~20mL)：(0.1~1mL)；MnO2/Gr@AgCo催化剂在碳纸上的负载量为5~40mg×cm-2；所述Nafion溶液的质量百分比为5%。步骤（6）中，所述含三乙醇胺-亚铁离子络合物的电解质溶液中，三乙醇胺浓度为1.5mol×L-1，亚铁离子浓度为0.5mol×L-1，电解质为0.5mol×L-1NaAc+0.5mol×L-1HAc溶液，或电解质为0.5mol×L-1KNO3(或NaNO3)溶液。本专利技术将MnO2/Gr@AgCo纳米颗粒涂覆在碳纸上做成气体扩散电极的催化剂层、以含三乙醇胺的亚铁离子溶液作为电解质，以碳粉做成负极片，制造出无离子交换膜的亚铁离子/空气电池。由于这种燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚铁离子/空气电池，其特征是，将碳粉压成片，作为负极；将银钴包覆的二氧化锰/石墨烯复合材料（MnO2/Gr@AgCo）作为氧还原反应的催化剂，再以此催化剂制备气体扩散电极，用于电池的正极；在气体扩散电极的扩散层与负极之间加一塑料网格隔片后，将气体扩散电极与负极扣紧，负极的这一面与电解质溶液接触，气体扩散电极的催化层那一面直接与空气接触，组成一种亚铁离子/空气电池。

【技术特征摘要】
1.一种亚铁离子/空气电池，其特征是，将碳粉压成片，作为负极；将银钴包覆的二氧化锰/石墨烯复合材料（MnO2/Gr@AgCo）作为氧还原反应的催化剂，再以此催化剂制备气体扩散电极，用于电池的正极；在气体扩散电极的扩散层与负极之间加一塑料网格隔片后，将气体扩散电极与负极扣紧，负极的这一面与电解质溶液接触，气体扩散电极的催化层那一面直接与空气接触，组成一种亚铁离子/空气电池。2.根据权利要求1所述的亚铁离子/空气电池，其特征是，所述的气体扩散电极由催化层、导电体和扩散层组成。3.根据权利要求1所述的亚铁离子/空气电池，其特征是，所述电解质溶液为含三乙醇胺-亚铁离子络合物的电解质溶液。4.一种亚铁离子/空气电池的制备方法，其特征是，包括以下步骤：（1）制备石墨烯（Gr）负载的二氧化锰颗粒(MnO2/Gr)；（2）制备银钴包覆的二氧化锰/石墨烯纳米颗粒（MnO2/Gr@AgCo）将硝酸银（AgNO3）、硝酸钴（Co(NO3)2×6H2O）和乙二醇混合，混合物常温下超声分散，之后加入MnO2/Gr颗粒，接着在不断搅拌下，将溶于乙二醇的40%（质量百分比）的硼氢化钠溶液逐滴加入，断续搅拌，过滤，所得固体用水洗至中性，40oC下真空干燥，得到银钴包覆的二氧化锰/石墨烯纳米颗粒（MnO2/Gr@AgCo）；（3）碳纸预处理在碳纸的其中一个面上涂覆一层聚四氟乙烯乳状液，室温干燥后，将其在350oC的温度下烧结，取出，冷至室温下，得到其中一面经憎水处理、另一面未经憎水处理的碳纸，待用；（4）制备气体扩散电极片将碳粉、MnO2/Gr@AgCo纳米颗粒、无水乙醇与Nafion溶液混合，在40oC下充分搅拌均匀，待部分乙醇蒸发后形成均匀的浓缩液，将该浓缩液涂覆在上述预处理碳纸的未经憎水处理的另一面上，乙醇完全挥发后，得到气体扩散电极片，待用；（5）制备电池负极将碳粉、无水乙醇和聚四氟乙烯乳状液的混合物在一定温度下加热、并不断搅拌，形成膏状物；将膏状物碾压成片状，在空气中晾干，均匀放置在不锈钢网的两个表面上，随后用压片机压成所需要的片状样品；将该...

【专利技术属性】
技术研发人员：易清风，张嫒嫒，邓中梁，聂会东，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43