一种全固态锌硫电池及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种全固态锌/硫电池的制造方法，包括步骤：（1）根据现有技术制备ZrO

【技术实现步骤摘要】
一种全固态锌硫电池及其制造方法
本专利技术涉及电池领域，具体地说，提供一种全固态锌硫电池及其制造方法。
技术介绍
以锌为负极的电池种类繁多，包括锌/锰电池，锌/空气电池等，它们都具有显著的优缺点。锌/锰电池的电极材料来源广泛、成本低、制造过程简单，但它的容量低，一般为一次性电池.对于锌/空气电池，它以锌为负极，空气（氧气）为正极，电解质一般为强碱性溶液，这种电池通过优化电池结构，可以使电池容量明显提高，并且它的理论开路电压高，而且通过对正极（氧气）材料进行优化，可以将这种电池转变为可充电式二次电池；此外，正极物质为外部空气，不占电池空间，提高了电池容量。但这种锌/空气电池的正极反应，即氧还原反应是一个动力学缓慢的过程，它严重限制了电池的放电过程，而且它的电极材料一般为成本高、资源稀少的贵金属。此外，由于采用强碱性溶液为电解质，所以这类以锌为负极的电池材料比较容易自发溶解，即电池存在着自发放电现象。
技术实现思路
本专利技术的目的是提种一种全固态锌/硫电池及其制造方法，以锌粉为负极，硫/石墨烯/碳纸/聚苯胺复合物为正极，掺杂ZrO2的KOH固体为电解质，三者压制在一起形成全固态型锌/硫电池。这种全固态锌/硫电池在放电时，负极锌失去电子形成锌离子，正极硫获得电子形成硫离子，固体电解质中的氢氧根离子向负极迁移并中和锌离子，而固体电解质中的钾离子向正极迁移并中和硫离子；电池充电时发生相反的离子迁移过程。本专利技术采用的技术方案：一种全固态锌/硫电池的制造方法，包括步骤：（1）根据现有技术（A.Massuda,etal.,SolidStateionics,2014,262:188-191）,制备ZrO2掺杂的KOH粉末：将锆酸四丁酯与无水乙醇按1：10的摩尔比混合，在室温下搅拌30分钟，之后将KOH固体、去离子水加入到上述混合溶液中，搅拌1.5小时，控制锆酸四丁酯：水：乙醇：KOH的摩尔比为1：3：10：1.将该混合物在600C下保温14天，直至形成粉末状固体；最后将该固体在8000C下热处理5小时，得到KOH－ZrO2固体粉末；（2）固体电解质片制备：将所得到的KOH－ZrO2固体粉末在常温下压成圆片状；（3）锌负极片的制备：将锌粉、导电碳黑和KOH－ZrO2固体粉末混合，接着加入无水乙醇，将混合物搅拌成均匀的分散液；接着将该分散液涂覆在不锈钢网的两面上，室温下干燥；最后在室温下压制成圆形状；所述锌粉、导电碳黑、KOH－ZrO2固体粉末和无水乙醇的比例为0.5-1.5g:0.5-1.5g:(0-12g):(20-60mL)；（4）硫/石墨烯/碳纸复合物的制备：将硫粉加入二硫化碳溶剂中，超声分散形成均匀的溶液；然后往溶液中加入石墨烯颗粒，继续超声分散，形成均匀的分散液；随后，将该分散液涂覆在碳纸表面，室温下干燥，形成硫/石墨烯/碳纸复合物；所述硫粉、二硫化碳溶剂与石墨烯颗粒的比例为0.5-1.5mg:0.5-1.5mL:(10-50mg)；（5）硫/石墨烯/碳纸/聚苯胺复合物的制备：首先将苯胺单体溶解于1mol∙L-1HCl溶液中，记为苯胺溶液，所述苯胺、1mol∙L-1HCl溶液的比为0.1-0.5mL：9-35mL；将过硫酸铵溶解于1mol∙L-1HCl溶液中，记为过硫酸铵溶液，所述过硫酸铵、1mol∙L-1HCl溶液的比例为0.3-1.5g：9-35mL；然后，将苯胺溶液和过硫酸铵溶液混合均匀，接着将上述硫/石墨烯/碳纸复合物悬挂于该混合溶液中，室温下放置一定时间后，将该复合物取出，分别在大量纯水和乙醇中充分浸泡，40℃真空干燥，得到硫/石墨烯/碳纸/聚苯胺复合物；（6）硫正极片的制备：将上述硫/石墨烯/碳纸/聚苯胺复合物加热至1550C并保温一定时间后冷却至室温，取出，即为硫正极片；（7）全固态锌/硫电池的制造：依次将上述锌负极片、KOH－ZrO2固体电解质片和硫正极片压制成型，制造全固态锌/硫电池。作为进一步优化，步骤（3）中所述锌粉、导电碳黑、KOH－ZrO2固体粉末和无水乙醇的比例为1g:1g:(0-12g):(20-60mL)。作为进一步优化，步骤（4）中所述硫粉、二硫化碳溶剂与石墨烯颗粒的比例为1mg:1mL:(10-50mg)；所述碳纸厚度为0.3mm，孔隙率78%。作为进一步优化，步骤（5）中所述苯胺溶液中苯胺、1mol∙L-1HCl溶液的用量比为0.3mL：24mL；所述过硫酸铵溶液中过硫酸铵、1mol∙L-1HCl溶液的用量比为1g：22mL。作为进一步优化，步骤（2）中于180kN压力下压成厚度为0.4mm的圆片状，直径为20mm；步骤（3）中于180kN压力下压制成圆形状，厚度0.4mm，直径20mm；步骤（7）中在200kN压力下压制成型，制造全固态锌/硫电池，电池直径20mm，厚度1.1mm。作为进一步优化，步骤（4）中所述碳纸厚度为0.3mm，孔隙率78%。一种根据所述的方法制备的全固态锌/硫电池。本专利技术的全固态锌/硫电池，采用KOH－ZrO2固体作为电解质，避免了负极锌的自发放电；正极硫在放电时，和固体电解质中的钾离子形成硫化钾，后者是固体，附载于硫正极片上，不会导致硫的流失。硫正极采用碳纸为载体，首先将硫分散于石墨烯表面，随后再用聚苯胺保护，最后通过水热法进一步将硫包覆于三维多孔的碳氮复合物结构中，保证硫的均匀分散。本专利技术的这种全固态锌/硫电池的结构简单、稳定性好，是一种具有广泛应用前景的便携式移动电源。具体实施方式实施例一（1）根据现有技术（A.Massuda,etal.,SolidStateionics,2014,262:188-191）,制备ZrO2掺杂的KOH粉末：将锆酸四丁酯与无水乙醇按1：10的摩尔比混合，在室温下搅拌30分钟，之后将KOH固体、去离子水加入到上述混合溶液中，搅拌1.5小时，控制锆酸四丁酯：水：乙醇：KOH的摩尔比为1：3：10：1.将该混合物在600C下保温14天，直至形成粉末状固体。最后将该固体在8000C下热处理5小时，得到KOH－ZrO2固体粉末。（2）固体电解质片制备：将所得到的KOH－ZrO2固体粉末在常温下，于180kN压力下压成厚度为0.4mm的圆片状，直径为20mm。（3）锌负极片的制备：将锌粉、导电碳黑按1g:1g混合，接着加入无水乙醇20mL，将混合物搅拌成均匀的分散液；接着将该分散液涂覆在不锈钢网的两面上，室温下干燥；最后在室温下，于180kN压力下压制成圆形状，厚度0.4mm，直径20mm。（4）硫/石墨烯/碳纸复合物的制备：将100mg硫粉加入到100mL二硫化碳溶剂中，超声分散形成均匀的溶液；然后往溶液中加入1g石墨烯颗粒，继续超声分散1小时，形成均匀的分散液。随后，将该分散液涂覆在厚度为0.3mm、孔隙率78%的碳纸表面，室温下干燥，形成硫/石墨烯/碳纸复合物。（5）硫/石墨烯/碳纸/聚苯胺复合物的制备：首先将0.1mL苯胺单体溶解于9mL的1mol∙L-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全固态锌/硫电池的制造方法，其特征在于，包括步骤：/n（1）根据现有技术（A.Massuda, et al., Solid State ionics, 2014, 262:188-191）,制备ZrO

【技术特征摘要】
1.一种全固态锌/硫电池的制造方法，其特征在于，包括步骤：
（1）根据现有技术（A.Massuda,etal.,SolidStateionics,2014,262:188-191）,制备ZrO2掺杂的KOH粉末：将锆酸四丁酯与无水乙醇按1：10的摩尔比混合，在室温下搅拌30分钟，之后将KOH固体、去离子水加入到上述混合溶液中，搅拌1.5小时，控制锆酸四丁酯：水：乙醇：KOH的摩尔比为1：3：10：1.将该混合物在600C下保温14天，直至形成粉末状固体；最后将该固体在8000C下热处理5小时，得到KOH－ZrO2固体粉末；
（2）固体电解质片制备：将所得到的KOH－ZrO2固体粉末在常温下压成圆片状；
（3）锌负极片的制备：将锌粉、导电碳黑和KOH－ZrO2固体粉末混合，接着加入无水乙醇，将混合物搅拌成均匀的分散液；接着将该分散液涂覆在不锈钢网的两面上，室温下干燥；最后在室温下压制成圆形状；
所述锌粉、导电碳黑、KOH－ZrO2固体粉末和无水乙醇的比例为0.5-1.5g:0.5-1.5g:(0-12g):(20-60mL)；
（4）硫/石墨烯/碳纸复合物的制备：将硫粉加入二硫化碳溶剂中，超声分散形成均匀的溶液；然后往溶液中加入石墨烯颗粒，继续超声分散，形成均匀的分散液；随后，将该分散液涂覆在碳纸表面，室温下干燥，形成硫/石墨烯/碳纸复合物；
所述硫粉、二硫化碳溶剂与石墨烯颗粒的比例为0.5-1.5mg:0.5-1.5mL:(10-50mg)；
（5）硫/石墨烯/碳纸/聚苯胺复合物的制备：首先将苯胺单体溶解于1mol∙L-1HCl溶液中，记为苯胺溶液，所述苯胺、1mol∙L-1HCl溶液的比为0.1-0.5mL：9-35mL；将过硫酸铵溶解于1mol∙L-1HCl溶液中，记为过硫酸铵溶液，所述过硫酸铵、1mol∙L-1HCl溶液的比例为0.3-1.5g：9-35mL；然后，将苯胺溶液和过硫酸铵溶液混合均匀，接着将上述硫/...

【专利技术属性】
技术研发人员：易清风，陈阿玲，王跃冰，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43