一种聚苯胺‑碳纳米管‑氧化锡‑聚丙烯腈复合隔膜钾空气电池，包括电池负极、第一隔膜、电解液、第二微隔膜、电池正极、氩气腔室和空气腔室，在第一隔膜靠近电解液的一侧设置有PCSP复合纳米纤维隔膜；制备步骤为：将聚丙烯腈加入到溶剂中，搅拌得到胶状液，将苯胺和樟脑磺酸加入到胶状液中，搅拌后，加入过硫酸铵搅拌，将溶液放入5℃的冰箱冷藏室中冷藏，然后将碳纳米管和氧化锡溶解于经冷藏室静置的溶液中，得到纺丝溶液，静电纺丝制备PCSP复合纳米纤维隔膜。优点是：该钾空气电池可选择性地渗透电解质中的钾离子，抑制其它离子及水、氧向负极侧的渗透，从而减缓负极腐蚀与失效，从而提高钾空气电池的放电容量与循环性能。
A Potassium Air Battery with Polyaniline-Carbon Nanotubes-Tin Oxide-Polyacrylonitrile Composite Diaphragm
【技术实现步骤摘要】
一种聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈复合隔膜钾空气电池
本专利技术涉及一种聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈(PCSP)复合隔膜钾空气电池。
技术介绍
钾空气电池是一种用钾金属作阳极，以空气中提供的氧气作为阴极反应物的电池。钾空气电池在放电过程中，钾金属阳极释放电子后成为钾离子，钾离子穿过电解质，在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化钾或者过氧化钾，并留在阴极。充电过程：通过导线供应电子，钾离子穿过有机电解液到达阳极表面，在阳极表面发生反应生成金属钾，阴极侧反应生成氧气，产生的电子供应给导线。但是在钾空气电池在工作过程中，金属钾阳极容易遇氧气或水容易发生化学反应，造成阳极的腐蚀失效，最终导致钾空气电池的放电终止。碳纳米管(CNT)因其具有均一的一维管状结构、巨大的比表面积和纳米级中空管道等特性，有希望作为锂离子电池石墨材料，但研究表明，其充放电过程首次不可逆且容量太大，难以实用化。聚苯胺(PANI)作为一种导电高分子材料，具有可调的导电性、易于合成且具备特殊的氧化还原性能，可用在电池和超级电容器材料上，同时，PANI可以有效改善钾空电池储能方面的性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈(PCSP)复合隔膜钾空气电池，该钾空气电池可选择性地渗透电解质中的钾离子，抑制其它离子及水、氧向负极侧的渗透，从而减缓负极腐蚀与失效，从而提高钾空气电池的放电容量与循环性能。本专利技术的技术解决方案是：一种聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈(PCSP)复合隔膜钾空气电池，包括不锈钢壳体和设置在不锈钢壳体的顶部和底部的绝缘盖板，在不锈钢壳体内绝缘盖板的中部依次设有钾空气电池负极、第一隔膜、电解液、第二隔膜、钾空气电池正极，所述钾空气电池负极与靠近钾空气电池负极的不锈钢壳体之间留有氩气腔室，并在氩气腔室一侧的不锈钢壳体上设有氩气阀门，所述钾空气电池正极与靠近钾空气电池正极的不锈钢壳体之间留有空气腔室，并在空气腔室一侧的不锈钢壳体上设有空气阀门，其特殊之处在于是：所述第一隔膜和第二隔膜的材质均为微孔聚烯烃隔膜，在第一隔膜靠近电解液的一侧设置有聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈复合隔膜；所述聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈复合隔膜的制备步骤为：(1)配制纺丝溶液将聚丙烯腈加入到溶剂中，室温下搅拌2h～4h得到均匀的胶状液，将苯胺和樟脑磺酸按照质量比1:1.2加入到所述胶状液中，所述苯胺与聚丙烯腈的质量比为0.3:1，搅拌2h～4h后，按照聚丙烯腈与过硫酸铵质量比4:3加入过硫酸铵室温下搅拌30min～60min，将溶液放入5℃的冰箱冷藏室中24h～48h，然后将质量比为1:1的碳纳米管(CNT)和氧化锡(SnO2)溶解于经冷藏室静置的溶液中，所述碳纳米管与聚丙烯腈的质量比为1:6，室温下搅拌12h～24h，得到纺丝溶液；(2)制备PCSP隔膜将纺丝溶液进行静电纺丝，静电纺丝参数如下：纺丝电压为6kV～10kV，纺丝接收距离为10cm～18cm，环境温度为20℃～28℃，相对湿度为20％～30％，纺丝溶液耗尽后，得到聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈(PCSP)复合纳米纤维隔膜。进一步的，所述溶剂为氯仿和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶剂。进一步的，所述氯仿和N，N-二甲基甲酰胺的质量比为1:6.5。进一步的，所述氯仿与聚丙烯腈的质量比为5:3。进一步的，静电纺丝注射器内纺丝溶液的加入量为3mL，聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈复合纳米纤维隔膜的面积为8×8cm2～10×10cm2。进一步的，静电纺丝采用1mL塑料喷枪头。进一步的，所述电解液按重量分数计，将3份～6份双三氟甲基磺酰亚胺(LiTFSI)溶于7份～15份咪唑类离子液体中，充分溶解，再向其中加入0.2份～0.5份四氟硼酸螺环季铵盐，在超声波辅助条件下混合均匀，超声波功率为300W～600W，超声波时间为1h～3h。进一步的，所述咪唑类离子液体为1-乙基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐。本专利技术的有益效果：该钾空气电池结构简单合理，在两层微孔聚烯烃隔膜之间设PCSP隔膜，该PCSP隔膜层的氧化锡与CNT形成的复合材料不仅具有较高的储锂容量，而且表现出优良的电化学活性。PCSP隔膜的结构特点是呈现三维空隙结构，具有尺寸小、比表面积大、孔隙率较高等特点，可以降低钾空气电池材料在充放电过程中产生的尺寸效应，有效地改善电池性能，从而提高钾空气电池材料的安全性能和使用寿命。并且，该PCSP隔膜可促进钾离子在电解液与电极界面处均匀迁移，可选择性地渗透电解质中的钾离子，抑制其它离子及水、氧向负极侧的渗透，减缓负极腐蚀与失效。该钾空气电池的倍率性能高、循环性能好，电池首次放电容量≥490mAh/g，循环次数可以到达52次。附图说明图1为被动式钾空气电池的结构示意图。图中：1-钾空气电池负极，2-第一微孔聚烯烃隔膜，3-电解液，4-第二微孔聚烯烃隔膜，5-钾空气电池正极，6-绝缘盖板，7-不锈钢壳体，8-氩气阀门，9-空气阀门，10-弹簧，11-PCSP复合纳米纤维隔膜。图2是本专利技术的PANI/CNT/SnO2/PAN复合纳米纤维膜结构机理图。具体实施方式实施例1如图所示，聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈(PCSP)复合隔膜钾空气电池，包括不锈钢壳体7和设置在不锈钢壳体7的顶部和底部的绝缘盖板6，在不锈钢壳体7内绝缘盖板6的中部依次设有钾电池负极1、第一微孔聚烯烃隔膜2、电解液3、第二微孔聚烯烃隔膜4、钾电池正极5，所述钾空气电池负极1与靠近钾空气电池负极1的不锈钢壳体7之间留有氩气腔室，并在氩气腔室一侧的不锈钢壳体7上设有氩气阀门8，所述钾空气电池正极5与靠近钾空气电池正极5的不锈钢壳体7之间留有空气腔室，并在空气腔室一侧的不锈钢壳体7上设有空气阀门9，在第一微孔聚烯烃隔膜2靠近电解液3的一侧设置有PCSP复合纳米纤维隔膜11；所述PCSP复合隔膜的制备步骤为：(1)配制纺丝溶液在1g氯仿和6.5gN,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶剂中加入0.6g聚丙烯腈(PAN)，室温下搅拌3h，得到均匀的胶状液；将0.1800g苯胺和0.216g樟脑磺酸加入到所述胶状液中并室温下搅拌3h后，加入0.45g过硫酸铵室温下搅拌45min，将溶液放入5℃的冰箱冷藏室中36h，然后将0.1g碳纳米管(CNT)和0.1gSnO2溶解于上述溶液中，搅拌18h，得到纺丝溶液；(2)制备PCSP隔膜采用一支1mL塑料喷枪头套在5mL注射器，将3mL的纺丝溶液注入到注射器中，接收装置为一个水平放置的铁丝网，进行静电纺丝，静电纺丝参数为：纺丝电压为10kV，塑料喷枪头针尖与铁丝网间距为18cm，环境温度为20℃-28℃，相对湿度为20％-30％，待纺丝溶液耗尽后，得到PANI/CNT/SnO2/PAN复合纳米纤维膜(PCSP隔膜)，所制备的PANI/CNT/SnO2/PAN复合纳米纤维膜的面积为9×9cm2，由PANI/CNT/SnO2/PAN复合纳米纤维组成，每根复合纳米纤维的直径为200nm-600nm，纤维之间的空隙为20nm-100nm；钾空气电池正极的制备：将8g科琴黑与2g二氧化锰加入到有机溶剂中配制的混合物涂覆到泡沫镍上，制得钾空气电池正极；钾本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种聚苯胺‑碳纳米管‑氧化锡‑聚丙烯腈复合隔膜钾空气电池，包括不锈钢壳体和设置在不锈钢壳体的顶部和底部的绝缘盖板，在不锈钢壳体内绝缘盖板的中部依次设有钾空气电池负极、第一隔膜、电解液、第二隔膜、钾空气电池正极，所述钾空气电池负极与靠近钾空气电池负极的不锈钢壳体之间留有氩气腔室，并在氩气腔室一侧的不锈钢壳体上设有氩气阀门，所述钾空气电池正极与靠近钾空气电池正极的不锈钢壳体之间留有空气腔室，并在空气腔室一侧的不锈钢壳体上设有空气阀门，其特征是：所述第一隔膜和第二隔膜的材质均为微孔聚烯烃隔膜，在第一隔膜靠近电解液的一侧设置有聚苯胺‑碳纳米管‑氧化锡‑聚丙烯腈复合隔膜；所述聚苯胺‑碳纳米管‑氧化锡‑聚丙烯腈复合隔膜的制备步骤为：(1)配制纺丝溶液将聚丙烯腈加入到溶剂中，室温下搅拌2h～4h得到均匀的胶状液，将苯胺和樟脑磺酸按照质量比1:1.2加入到所述胶状液中，所述苯胺与聚丙烯腈的质量比为0.3:1，搅拌2h～4h后，按照聚丙烯腈与过硫酸铵质量比4:3加入过硫酸铵室温下搅拌30min～60min，将溶液放入5℃的冰箱冷藏室中24h～48h，然后将质量比为1:1的碳纳米管(CNT)和氧化锡(SnO2)溶解于经冷藏室静置的溶液中，所述碳纳米管与聚丙烯腈的质量比为1:6，室温下搅拌12h～24h，得到纺丝溶液；(2)制备PCSP隔膜将纺丝溶液进行静电纺丝，静电纺丝参数如下：纺丝电压为6kV～10kV，纺丝接收距离为10cm～18cm，环境温度为20℃～28℃，相对湿度为20％～30％，纺丝溶液耗尽后，得到聚苯胺‑碳纳米管‑氧化锡‑聚丙烯腈(PCSP)复合纳米纤维隔膜。...
【技术特征摘要】
1.一种聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈复合隔膜钾空气电池，包括不锈钢壳体和设置在不锈钢壳体的顶部和底部的绝缘盖板，在不锈钢壳体内绝缘盖板的中部依次设有钾空气电池负极、第一隔膜、电解液、第二隔膜、钾空气电池正极，所述钾空气电池负极与靠近钾空气电池负极的不锈钢壳体之间留有氩气腔室，并在氩气腔室一侧的不锈钢壳体上设有氩气阀门，所述钾空气电池正极与靠近钾空气电池正极的不锈钢壳体之间留有空气腔室，并在空气腔室一侧的不锈钢壳体上设有空气阀门，其特征是：所述第一隔膜和第二隔膜的材质均为微孔聚烯烃隔膜，在第一隔膜靠近电解液的一侧设置有聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈复合隔膜；所述聚苯胺-碳纳米管-氧化锡-聚丙烯腈复合隔膜的制备步骤为：(1)配制纺丝溶液将聚丙烯腈加入到溶剂中，室温下搅拌2h～4h得到均匀的胶状液，将苯胺和樟脑磺酸按照质量比1:1.2加入到所述胶状液中，所述苯胺与聚丙烯腈的质量比为0.3:1，搅拌2h～4h后，按照聚丙烯腈与过硫酸铵质量比4:3加入过硫酸铵室温下搅拌30min～60min，将溶液放入5℃的冰箱冷藏室中24h～48h，然后将质量比为1:1的碳纳米管(CNT)和氧化锡(SnO2)溶解于经冷藏室静置的溶液中，所述碳纳米管与聚丙烯腈的质量比为1:6，室温下搅拌12h～24h，得到纺丝溶液；(2)制备PCSP隔膜将纺丝溶液进行静电纺丝，静电纺丝参数如下：纺丝电压为6kV～10kV，纺丝接收距离为10cm～18cm，环境温度为20℃～28℃，相对湿度为20％～30％，纺...
【专利技术属性】
技术研发人员：奚雪，王坦，郎笑石，李兰，刘凡，徐天野，蔡克迪，
申请(专利权)人：渤海大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。