基于热电效应的金属-空气电池及其制备方法技术

本申请涉及一种基于热电效应的金属

【技术实现步骤摘要】
基于热电效应的金属
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空气电池及其制备方法


[0001]本申请涉及电池及纳米材料
，具体涉及一种基于热电效应的金属
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空气电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]例如可充电锌空气电池的可充电金属
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空气电池是一种将化学能和电能相互转化的新型能源装置，其具有能量密度高，电性能稳定和安全性高等优点。可充电的金属
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空气电池目前被应用于例如蓝牙耳机和助听器等的便携设备上，其作为下一代储能设备具有良好的发展潜力和应用前景。可充电锌空气电池主要由空气正极、电解质和锌负极组成，其中空气正极上发生的氧的氧化还原反应是其能够进行能量转换的关键反应步骤，因此空气正极上的电催化剂的电催化性能将直接影响锌空气电池的充放电能量效率。在实际的商业化过程中，贵金属催化剂仍然是具有最高活性的电催化剂，但是其昂贵的成本和较差的催化稳定性抑制了其进一步的发展。目前被广泛研究的过渡金属基催化剂被认为是最可能替代贵金属催化剂的催化体系之一，但是目前来说，过渡金属基催化剂的催化活性还不能支持其用于大规模的商业化生产过程中。
[0003]热电材料是一类利用固体内部载流子的运输及其相互作用将热能和电能相互转换的功能材料，是高技术新能源领域的关键基础性材料，由其制成的热电器件目前已经在国防、微电子以及工业废热等方面得到了广泛的应用。对于一些氧化物半导体材料，具有无污染、低成本以及高温稳定性等优点，它们作为热电材料和电催化材料，近年来在两个领域都吸引了许多科研人员的注意。/>[0004]申请号为202010133895.1的中国专利技术专利申请公开了“一种钙钛矿型锰酸钙材料及其制备方法与其在宽温区锂离子电池中的应用”。该对比文件采用液相制备辅助高温煅烧的方法得到高纯度，颗粒均匀的锰酸钙颗粒，并探讨了其在0
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50℃锂离子电池中的电化学性能。
[0005]为此，本领域持续需要开发一种基于热电效应的金属
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空气电池及其制备方法。

技术实现思路

[0006]在此背景下，本申请提供了一种利用氧化物半导体材料的热电效应增强其电催化性能的方法，并将其应用于例如可充电锌空气电池的金属
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空气电池中。在诸多热电材料中，CaMnO3属于钙钛矿型晶体结构，是一种很有潜力的n型半导体材料，同时也是一种具有优良氧还原反应催化活性的催化材料。Ca3Co4O9是一种层状结构的p型半导体材料，其岩盐型的[Ca2CoO3]层和[CoO2]层叠加而成的非拟合层状结构导致其具有较为优良的热电性能和析氧反应的电催化性能。
[0007]将上述两种氧化物制备成热电极并在热电极表面涂覆相对应的电催化剂浆料作为正极组装成锌空气电池，对可充电锌空气电池的正极端进行加热，利用两种氧化物半导体材料自身的热电效应产生的Seebeck电压可以补偿材料在电催化过程中的过电位，并且
通过热电效应在热电极表面富集的热载流子可以有效地注入外电路，加速另一电极表面载流子的消耗，从而促进催化剂的电化学反应的进行。因此，利用该技术可以在一定程度上提高锌空气电池的放电电压，降低其充电电压，达到提高其充放电能量转换效率的目的。
[0008]本申请之目的首先在于提供一种基于热电效应的金属
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空气电池。具体来说，本文所述的基于热电效应的金属
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空气电池可包括两个分别由n型热电材料和p型热电材料制成且各自内部存在热传导以及相互之间存在载流子传输的空气正极，在电池充电过程中，可使金属负极与包括n型热电材料的空气正极电连接，在放电过程中，可使金属负极与包括p型热电材料的空气正极电连接。基于热电效应，提高金属
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空气电池的放电电压，降低其充电电压。
[0009]本申请之目的还在于提供一种如上所述的基于热电效应的金属
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空气电池的制备方法。
[0010]为了解决上述技术问题，本申请提供下述技术方案。
[0011]在第一方面中，本申请提供一种基于热电效应的金属
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空气电池，其特征在于，所述基于热电效应的金属
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空气电池包括：金属负极、第一空气正极、第二空气正极以及电解质。在该实施方式中，第一空气正极包括由第一热电材料制成的第一圆柱形热电极以及设置在第一圆柱形热电极表面的第一电催化剂浆料，第二空气正极包括由第二热电材料制成的第二圆柱形热电极以及设置在第二圆柱形热电极表面的第二电催化剂浆料。在该实施方式中，第一热电材料为n型氧化物半导体材料，第二热电材料为p型氧化物半导体材料。所述第一电催化剂浆料可为第一热电材料与炭黑的混合物，第二电催化剂为第二热电材料与炭黑的混合物。在该实施方式中，所述第一圆柱形热电极和所述第二圆柱形热电极内部均存在热量传导，所述基于热电效应的金属
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空气电池进行充电和放电时，需对所述第一空气正极和所述第二空气正极进行加热，所述第一圆柱形热电极和所述第二圆柱形热电极的冷端比热端更靠近所述金属负极。在该实施方式中，当所述基于热电效应的金属
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空气电池进行充电时，所述金属负极通过电解质与所述第一空气正极电连接；当所述基于热电效应的金属
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空气电池进行放电时，所述金属负极通过电解质与所述第二空气正极电连接。
[0012]在第一方面的一种实施方式中，所述基于热电效应的金属
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空气电池还包括：
[0013]金属导热板，所述第一圆柱形热电极和所述第二圆柱形热电极连接至所述金属导热板，并通过所述金属导热板进行传热和载流子的传输。
[0014]在第一方面的一种实施方式中，所述基于热电效应的金属
‑
空气电池还包括：
[0015]时间循环继电器，所述时间循环继电器用于切换所述基于热电效应的金属
‑
空气电池的充电和放电过程中与热电极的连接。
[0016]在第一方面的一种实施方式中，所述第一热电材料为具有钙钛矿型晶体结构的氧化物半导体材料，所述第二热电材料为具有层状结构的氧化物半导体材料。
[0017]在第一方面的一种实施方式中，所述第一热电材料为锰酸钙CaMnO3，所述第二热电材料为钴酸钙Ca3Co4O9。
[0018]在第一方面的一种实施方式中，所述锰酸钙和所述钴酸钙通过溶胶
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凝胶法制备。
[0019]在第一方面的一种实施方式中，所述金属负极选自下述中的一种或多种：锌、镁和铝。
[0020]在第一方面的一种实施方式中，所述电解质为氢氧化剂和醋酸锌的混合水溶液，
其中氢氧化剂浓度为6.0M，醋酸锌浓度为0.2M。
[0021]在第二方面中，本申请提供一种如第一方面所述的基于热电效应的金属
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空气电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0022]S1：制备第一圆柱形热电极和第二圆柱形热电极
[0023]以去离子水为粘结剂，将适本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热电效应的金属
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空气电池，其特征在于，所述基于热电效应的金属
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空气电池包括：金属负极；第一空气正极，所述第一空气正极包括由第一热电材料制成的第一圆柱形热电极以及设置在第一圆柱形热电极表面的第一电催化剂浆料；第二空气正极，所述第二空气正极包括由第二热电材料制成的第二圆柱形热电极以及设置在第二圆柱形热电极表面的第二电催化剂浆料；以及，电解质；其中，所述第一圆柱形热电极和所述第二圆柱形热电极的冷端比热端更靠近所述金属负极；其中，所述第一热电材料为n型氧化物半导体材料，第二热电材料为p型氧化物半导体材料；其中，所述第一圆柱形热电极和所述第二圆柱形热电极内部均存在热量传导，所述基于热电效应的金属
‑
空气电池进行充电和放电时，需对所述第一空气正极和所述第二空气正极进行加热；其中，当所述基于热电效应的金属
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空气电池进行充电时，所述金属负极通过电解质与所述第一空气正极电连接；当所述基于热电效应的金属
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空气电池进行放电时，所述金属负极通过电解质与所述第二空气正极电连接。2.如权利要求1所述的基于热电效应的金属
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空气电池，其特征在于，所述基于热电效应的金属
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空气电池还包括：金属导热板，所述第一圆柱形热电极和所述第二圆柱形热电极连接至所述金属导热板，并通过所述金属导热板进行传热和载流子的传输。3.如权利要求1所述的基于热电效应的金属
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空气电池，其特征在于，所述基于热电效应的金属
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空气电池还包括：时间循环继电器，所述时间循环继电器用于切换所述基于热电效应的金属
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空气电池的充电和放电过程中与不同热电极的连接。4.如权利要求1所述的基于热电效应的金属
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空气电池，其特征在于，所述第一热电材料为具有钙钛矿型晶体结构的氧化物半导体材料，所述第二热电材料为具有层状结构的氧化物半导体材料；其中，所述第一电催化剂浆料为第一热电材料与炭黑的混合物，第二电催化剂为第二热电材料与炭黑的混合物；。5.如权利要求4所述的基于热电效应的金属
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【专利技术属性】
技术研发人员：郑学荣，曹晏珲，赵梦晗，韩晓鹏，邓意达，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：