一种锌镍空气液流电池正极的结构及制备方法技术

一种锌镍空气液流电池正极的结构及制备方法，属于化学储能技术和正极制备技术领域。其电极结构由电解液一侧到空气一侧依次包括氢氧化镍层、第一集流体、隔膜、防水透气层、氧还原催化层、防水透气层、第二集流体。在电极结构的设计中引入了隔膜，隔膜可以有效防止在电池运行过程中因电解液水淹导致的正极性能衰减，大幅度提升了电池的寿命和循环稳定性。

Structure and preparation method of a positive electrode for zinc-nickel air-flow battery

【技术实现步骤摘要】
一种锌镍空气液流电池正极的结构及制备方法
本专利技术属于化学储能技术和正极制备
，特别涉及锌镍空气液流电池相关技术。
技术介绍
在目前的新能源发电技术中，风能太阳能发电的应用越来越广泛，但由于其发电的不稳定性，导致了较大的浪费，这也使得人们对于大型储能技术的需求不断增加。在各种大型储能技术中，相比于其他储能技术，锌镍空气液流电池具有成本低廉、原材料来源广泛、安全性强、稳定性好，回收容易等优势，具有非常好的应用前景。但锌镍空气液流电池在运行过程中电解液会浸润氧还原催化层，造成正极水淹，导致电池性能衰减，特别是在长时间被电解液浸润的情况下还会造成电极结构的损坏，这些问题都限制了锌镍空气液流电池在实际生活中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供锌镍空气液流电池正极的结构及制备方法，该正极在电极结构的设计中引入了具有缓冲作用的隔膜，在电极结构的设计中引入了隔膜，隔膜可以有效防止在电池运行过程中因电解液水淹导致的正极性能衰减，大幅度提升了电池的寿命和循环稳定性。一种锌镍空气液流电池正极，其电极结构由电解液一侧到空气一侧依次包括氢氧化镍层、第一集流体、隔膜、防水透气层、氧还原催化层、防水透气层、第二集流体。氢氧化镍层由氢氧化镍以及粘结剂组成；粘结剂为PVA、PTFE、PVDF中的一种或两种，优选为PTFE。氢氧化镍层中氢氧化镍载量为2-30mg/cm2，优选为10mg/cm2。氢氧化镍与粘结剂的质量比为(5-9):(5-1),优选为7:3。第一集流体选用泡沫镍、不锈钢网、铜网中的一种；隔膜可选用nafion膜、微孔膜中的一种，微孔膜为疏水微孔膜或亲水微孔膜，优选为疏水微孔膜。隔膜的厚度为1-150μm。防水透气层由导电剂及高分子疏水材料或粘结剂材料组成；防水透气层中导电剂为碳黑；粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或两种，优选为聚四氟乙烯。碳黑与粘结剂的质量比为3-9:7-1。防水透气层中碳黑载量为1-10mg/cm2，优选为2mg/cm2。氧还原催化层由氧还原催化剂与高分子粘结剂组成；氧还原催化剂为铂碳催化剂、纳米氧化锰催化剂、非金属催化剂中的一种或两种以上，其载量为0.05-3.0mg/cm2，优选为0.2-0.4mg/cm2。催化剂与粘结剂的质量比为20:1-1:1，优选为9:1。第二集流体选用碳纸、碳布、碳毡、泡沫镍、不锈钢网、铜网中的一种。上述所述的锌镍空气液流电池正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)氢氧化镍层及第一集流体的制备称取适量的氢氧化镍粉末，并缓慢加入粘结剂分散液和乙醇，用玻璃棒搅拌，使其形成分散均匀的膏状物；用玻璃棒将混合均匀的扩散层均与的涂覆在第一集流体上，并加热烘干；得到第一部分正极材料；(2)防水透气层的制备将适量的碳黑和粘结剂混合并加入乙醇使其形成浆料；将制备好的浆料超声10-20分钟使其分散均匀；在加热条件下将浆料喷涂在第二集流体上的适当位置，并烘干；(3)氧还原催化层的制备将适量催化剂与粘结剂混合，加入乙醇形成混合浆料；将混合浆料超声10-15min使其分散均匀；在加热的条件下将配置好的催化层浆料均匀涂覆在步骤(2)防水透气层的相应位置上；然后在氧还原催化层上在涂覆一层步骤(2)所述的防水透气层，得到第二部分正极材料；(4)电极制备的后续工艺使用管式炉在惰性气体氛围下将第二部分正极材料以200-300℃加热30-60分钟，再以300-400℃加热30-60分钟，使防水透气层形成疏水透气的结构；将上述热处理后的第二部分正极材料与隔膜、第一部分正极材料根据电极结构顺序排列，并用热压机热压，使集流体、防水透气层与隔膜结合更加紧密，制成最终的正极。本专利技术的有益结果是：(1)本专利中在正极内引入了微孔膜，有效的防止了电池工作过程中电解液对电极的浸润，避免了电极因电解液水淹导致的性能衰减。(2)本专利技术还具有循环寿命长、成本低、材料来源广泛、安全性强等的特点。附图说明图1实施例1和对比例1中使用的锌镍空气液流电池示意图；图2实施例1中正极结构示意图；图3对比例1中正极结构示意图；图4实施例1在20mA/cm2下充电，10mA/cm2下放电的循环性能；图5对比例1在20mA/cm2下充电，10mA/cm2下放电的循环性能；图6实施例1在图4条件下运行的容量效率、电压效率和能量效率；图7对比例1在图5条件下运行的容量效率、电压效率和能量效率。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1如图1所示，一种锌镍空气液流电池正极的结构及制备方法：从负极到正极依次为负极金属锌、电解液、正极，其中负极为镍片，厚度为0.1mm，面积为30cm2，其中反应面积为4cm2，正极的面积为30cm2，反应面积4cm2，电极结构由电解液一侧到空气一侧依次包括氢氧化镍层、第一集流体、隔膜、防水透气层、第二集流体、氧还原催化层、防水透气层。氧还原催化层由1.5mg的铂碳、0.167mg的Nafion(纯Nafion含量)组成，其中nafion溶液为0.5％wt。在1mL无水乙醇中混合均匀涂覆在电极上的指定位置。氢氧化镍层的载量为10mg/cm2，称量所需的氢氧化镍与PTFE分散液，两者质量比为7:3，在缓慢加入乙醇，并不断搅拌，使其形成形态合适的膏状物。用玻璃棒将混合好的浆料均匀涂覆在第一集流体上，面积与集流体相同。防水透气层的载量为4mg/cm2，首先称量所需的碳黑和PTFE分散液，两者的质量比为1:1，加入适量乙醇，超声10-15min使其分散均匀，然后按照电极结构将其均匀喷涂到电极适当的位置，其面积与集流体完全相同。然后将第二部分正极在氩气氛围下用管式炉以250℃加热30min，350℃加热30min，升温速率为5℃每分钟。组装电池时隔膜选用疏水的微孔膜(厚度为50微米)，将烧制好的第二部分电极与隔膜、第一部分电极一起，使用热压机在80℃、0.2Mpa的压力下热压2分钟，制得完整正极。在电池测试中采用充电20ma/cm2，放电10ma/cm2的电流密度对电池进行恒流充放电测试，其中充电容量为50mAh/cm2，然后循环10几次之后性能依然不减。测试在室温下进行，电解液流速为60ml/min，电解液的组成为8mol/LKOH和0.5mol/LZnO。对比例1本例中电池从负极到正极依次为负极金属锌、电解液、正极，其中负极为镍片，厚度为0.1mm，面积为30cm2，其中反应面积为4cm2，正极的面积为30cm2，反应面积4cm2，电极结构由电解液一侧到空气一侧依次包括氢氧化镍层、第一集流体、防水透气层、第二集流体、氧还原催化层、防水透气层。氧还原催化层由1.5mg的铂碳、0.167mg的Nafion(纯Nafion含量)组成，其中nafion溶液为0.5％wt。在1mL无水乙醇中混合均匀涂覆在电极上的指定位置。氢氧化镍层的载量为10mg/cm2，称量所需的氢氧化镍与PTFE分散液，两者质量比为7:3，在缓慢加入乙醇，并不断搅拌，使其形成形态合适的膏状物。用玻璃棒将混合好的浆料均匀涂覆在第一集流体上，面积与集流体相同。防水透气层的载量为4mg/cm2，首先称量所需的碳黑和PTFE分散液，两者的质量比为1:1，加入适量乙醇，超声10-15min使其分散均匀，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锌镍空气液流电池正极，其特征在于，电极结构由电解液一侧到空气一侧依次包括氢氧化镍层、第一集流体、隔膜、防水透气层、氧还原催化层、防水透气层、第二集流体；氢氧化镍层由氢氧化镍以及粘结剂组成；第一集流体选用泡沫镍、不锈钢网、铜网中的一种；隔膜可选用nafion膜、微孔膜中的一种，微孔膜为疏水微孔膜或亲水微孔膜，优选为疏水微孔膜；防水透气层由导电剂及高分子疏水材料或粘结剂材料组成；氧还原催化层由氧还原催化剂与高分子粘结剂组成；第二集流体选用碳纸、碳布、碳毡、泡沫镍、不锈钢网、铜网中的一种。

【技术特征摘要】
1.一种锌镍空气液流电池正极，其特征在于，电极结构由电解液一侧到空气一侧依次包括氢氧化镍层、第一集流体、隔膜、防水透气层、氧还原催化层、防水透气层、第二集流体；氢氧化镍层由氢氧化镍以及粘结剂组成；第一集流体选用泡沫镍、不锈钢网、铜网中的一种；隔膜可选用nafion膜、微孔膜中的一种，微孔膜为疏水微孔膜或亲水微孔膜，优选为疏水微孔膜；防水透气层由导电剂及高分子疏水材料或粘结剂材料组成；氧还原催化层由氧还原催化剂与高分子粘结剂组成；第二集流体选用碳纸、碳布、碳毡、泡沫镍、不锈钢网、铜网中的一种。2.按照权利要求1所述的一种锌镍空气液流电池正极，其特征在于，氢氧化镍层粘结剂为PVA、PTFE、PVDF中的一种或两种，优选为PTFE；氢氧化镍与粘结剂的质量比为(5-9):(5-1),优选为7:3。3.按照权利要求1所述的一种锌镍空气液流电池正极，其特征在于，氢氧化镍层中氢氧化镍载量为2-30mg/cm2，优选为10mg/cm2。4.按照权利要求1所述的一种锌镍空气液流电池正极，其特征在于，隔膜的厚度为1-150μm。5.按照权利要求1所述的一种锌镍空气液流电池正极，其特征在于，防水透气层中导电剂为碳黑；粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或两种，优选为聚四氟乙烯；碳黑与粘结剂的质量比为3-9:7-1。6.按照权利要求5所述的一种锌镍空气液流电池正极，其特征在于，防水透气层中碳黑载量为1-10mg/cm2，优选为2mg/cm2。7.按照权利要求1所述的一种锌镍空气液流电池正极，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程元徽，张宁远，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11