可集成的空心结构固态锌-空气电池制造技术

本发明专利技术受仿生思想启发，借鉴了肺泡中生物表面活性剂的化学结构以及动物的呼吸系统位于体内的特点，从固态电解质和电池结构两个方面对固态锌

【技术实现步骤摘要】
可集成的空心结构固态锌
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空气电池


[0001]本专利技术属于新型固态电池领域。受仿生思想的启发，从固态电解质和电池结构设计两个方面进行了创新，使固态锌
‑
空气电池具有更稳定的循环性能，以及其结构更具实用价值。表现在，方便集成为大的电池组、有效缓解了渗液和空气电极表面污染问题、有效提高了固态电解质的稳定性，电池的循环寿命得到大大提高。该类型的固态锌
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空气电池有望作为高安全性电池应用于家用或便携器件、智能机器人，以及与人体结合的未来器件中。

技术介绍

[0002]可充电锌
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空气电池(ZAB)由于成本低、理论能量密度高(1084Wh kg
‑1)、和高安全性、无污染等优点而被认为是新型动力电池的有力竞争者。最近发展起来的固态锌
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空气电池，由于其器件型式灵活多样，尤其是和液态锌
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空气电池相比在器件小型化方面具有明显优势，因而受到越来越多的关注。目前，大量的研究仍集中在空气电极的电催化剂上，尽管电池性能可能主要受到凝胶电解质或锌电极的稳定性的限制。最近，Nature energy杂志上报道了Ah级的固态锌
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空气电池，已经能够稳定充放电6000个循环以上(Nature Energy,6(2021)592
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604.)。这预示着固态锌
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空气电池有望走向实际应用。但是，目前的固态锌
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空气电池仍处于发展阶段，还有许多不合理因素限制了其商业化进程。
[0003]比如，目前文章中报道的固态电解质所采用的聚合物种类仍然较少，主要包括聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)和聚丙烯酰胺(PAM)。其中，PVA具有很好的产业化基础。各种分子量的PVA产品均已实现商品化，规格较固定。电池企业可以根据牌号进行购买。PVA具有良好的水溶性、优异的成膜性和电化学稳定性，非常适合以其作为基质开发用于锌
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空气电池的固态凝胶电解质。PVA
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KOH凝胶具有很高的离子电导率，能够满足锌
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空气电池的需要，是一种文献中常见的固态凝胶电解质。但是，由于锌
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空气电池需要将其空气电极部分暴露在空气中，电解质容易因空气湿度的降低而失水。这种情况对PVA
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KOH凝胶电解质的影响比较显著。因此，采用PVA
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KOH凝胶的固态锌
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空气电池的循环性能往往受此问题的影响比较严重。为了改善性能，文献中均是采用在制备PVA
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KOH凝胶时，往体系中加入各种添加剂形成复合的凝胶电解质。比如，文献报道在PAV凝胶中添加SiO2或纤维素可以提高固体电解质的稳定性，从而提高其循环性能。Fan等，通过在PVA凝胶中添加SiO2，使固态锌
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空气电池的充放电循环时间延长到48个小时(Nano Energy,56(2019)454
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462)。Zhao等，通过往PVA凝胶中添加细菌纤维素，使固态锌
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空气电池的充放电循环时间大幅延长(ACS Applied Materials&Interfaces,11(2019)15537
‑
15542)。
[0004]另一方面，固态锌
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空气电池的结构设计也有很大的提升空间。迄今为止报道的平板型和电缆型的固态锌
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空气电池均采用空气电极直接面向大气的设计。虽然这种设计有利于体现电池的柔性，但造成实际阻碍了固态锌
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空气电池的商品化。实际的使用过程中，这些结构的电池的空气电极测非常容易因空气流动而失水、容易渗液、容易受到尘埃污染等。另一方面，这些锌
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空气电池的可集成性较低，不适合在紧凑空间中进行大规模集成，只能驱动一些功率很小的器件。因此目前报道的固态锌
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空气电池，从器件结构上来说，并不
实用。

技术实现思路

[0005]本专利技术受到仿生思想的启发，从动物的呼吸系统结构特点来学习改善固态锌
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空气电池性能的方法。据医学研究发现，人类的肺泡表面含有一层生物表面活性剂可以起到保护肺泡功能的作用。这种生物表面活性剂是二棕榈酰卵磷脂，是一种卵磷脂，具有双子(Gemini)结构。这种卵磷脂分子在液
‑
气界面垂直排列，对降低肺泡表面张力、维持肺泡体积稳定以及防止组织液渗出等方面具有重要作用。此外，动物的呼吸系统是隐藏在体内的，而不是直接暴露在空气中，这有效地防止了肺泡的干燥以及灰尘的污染。受这些动物的呼吸系统特点的启发，本专利技术在固态电解质和电池结构设计两个方面进行了创新。
[0006]1、在PVA凝胶表面修饰具有双子结构的表面活性剂分子。发现修饰之后的PVA
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KOH凝胶具有更高的保水率、更好的尺寸稳定性和更稳定的离子电导率。这使得固态锌
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空气电池的充放电循环稳定性明显提高。
[0007]2、另一方面，本专利技术设计了一种新结构的固态锌
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空气电池，采用柱状空心的结构，将空气电极内置。这使得新结构的固态锌
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空气电池能够方便地集成在一起成为结构紧凑的电池组来带动更大的器件。这种空气电池内置的策略有效降低了空气流动对空气电极的吹干问题，以及能有效地缓解电池渗液和防止空气电极污染等问题。这种电池结构提高了电池的充放电循环稳定性。
[0008]3、电池内部柱状的电场可能有利于提高电池的充放电稳定，获得了很高的充放电循环稳定性。本专利技术的特征在于：
[0009]1、将仿生思想应用于启发锌
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空气电池中的固态电解质的制备和电池结构设计。主要是借鉴了人类肺泡表面活性剂的结构，以及动物呼吸系统内置的特点。
[0010]2、通过双子表面活性剂在凝胶电解质表面形成分子保护膜，在不影响离子电导率的同时，有效地提高了固态电解质的保水率和电解质的稳定性。方法是将PVA凝胶(或PVA与PAA的混合水凝胶)在双子表面活性剂的溶液中浸泡处理。其中，所用到的双子表面活性剂是卵磷脂或Surfynol表面活性剂(中文名称为：2,4,7,9
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四甲基
‑5‑
癸炔
‑
4,7
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二醇聚氧乙烯醚，英文名称为：2,4,7,9
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Tetramethyl
‑5‑
decyne
‑
4,7
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diol ethoxylate)，在浸泡液中的质量浓度范围为0.5
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5％。浸泡液中除了表面活性剂之外，还添加了氢氧化钾(KOH)和乙酸锌。
[0011]3、固态锌
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空气电池的结构上采用了独特的设计，将空气电极内置。其结构从内到外，分别为多孔的内管(简称：空气内管)、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生思想设计的固态锌
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空气电池，借鉴了肺泡表面活性剂的化学结构以及动物将呼吸系统置于体内的特点，其特征在于包括：(1)电池的整体设计采用了将空气电极内置的柱状空心结构，从内到外依次是多孔的内管、空气电极、固态电解质、锌电极、封装外壳，(2)固态电解质是在聚合物水凝胶的表面修饰双子表面活性剂来提高固态电解质的性能，(3)这种固态锌
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空气电池能够根据需要相互并在一起集成为电池组。2.基于权利要求1所述的多孔内管，其管壁上的孔采用大孔和小孔交替分布的方式，以保证气体交换的同时也保证管的机械强度。3.基于权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中一，李文明，张慧，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：