一种复合空气电极及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种复合空气电极及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将前驱体材料和溶剂混合得到静电纺丝浆料，将所述静电纺丝浆料与添加剂混合得到复合电纺浆料；(2)将所述复合电纺浆料通过静电纺丝法制成高分子纳米纤维复合膜；(3)对所述高分子纳米纤维复合膜进行煅烧处理，经炭化处理得到所述复合空气电极，本发明专利技术可以制备具有优异机械性能和双功能氧电催化活性的一体化电极，制备过程简单且电极厚度和孔径可控，孔径均一，成本低廉。制备得到的功能化碳复合一体化电极不仅能在液流锌空气电池中表现出出色的循环性能，同时也能在固态柔性锌空气电池中稳定运行。也能在固态柔性锌空气电池中稳定运行。也能在固态柔性锌空气电池中稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种复合空气电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于空气电极制备
，涉及一种复合空气电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]锌空气电池理论能量密度达到1218Wh kg
‑1，高出锂离子电池5倍。锌空气电池的体积能量密度高达6136Wh L
‑1，更为适用于需要高体积能量密度如移动便携式设备和电动汽车等应用场合，是一种极具潜力的能量储存装置。
[0003]然而，锌空气电池实现商业化还需要解决以下两个问题：1)电池阴极发生的氧还原反应和氧析出反应动力学缓慢而引起严重的极化导致电池能量和功率密度降低；2)粉体双功能催化剂通常通过粘结剂喷涂至气体扩散层，粘结剂的使用会影响催化性能，同时由于机械强度不足，长期使用催化剂材料会从气体扩散层上脱落，造成电池耐久性降低。
[0004]CN104518223A公开了一种锌空气电池的空气电极，包括防水透气层、集流导电体、催化层，所述的防水透气层与集流导电体之间压合有二氧化碳吸收层，所述的催化层在集流导电体的另一侧。该锌空气电池通过在防水透气层和集流导电体之间压合一层二氧化碳吸收层，可有效防止空气中的二氧化碳进入空气电池内部，避免碱性电解液碳酸化，提高电池使用寿命。
[0005]CN111509239A公开了一种锌空气电池用空气电极的制备方法，其步骤包括：(1)利用碳粉与锰盐、镍盐、银盐制备催化剂；(2)利用六水合硝酸锌与2
‑
甲基咪唑制备MOFs；(3)将催化剂与MOFs煅烧制备MOFs包覆催化剂；(4)将酒精、PTFE乳液、碳粉及MOFs包覆催化剂形成的浆液喷涂于集流体的防水层一侧，经辊压后制得锌空气电池用空气电极。
[0006]上述方案所述空气电极存在有制成电池能量密度低、功率性能差且催化材料易脱落，造成电池耐久性差的问题，极大程度限制了其在实际中的应用。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种复合空气电极及其制备方法，本专利技术可以制备具有优异机械性能和双功能氧电催化活性的一体化电极，制备过程简单且电极厚度和孔径可控，孔径均一，成本低廉。制备得到的功能化碳复合一体化电极不仅能在液流锌空气电池中表现出出色的循环性能，同时也能在固态柔性锌空气电池中稳定运行。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种复合空气电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0010](1)将前驱体材料和溶剂混合得到静电纺丝浆料，将所述静电纺丝浆料与添加剂混合得到复合电纺浆料；
[0011](2)将所述复合电纺浆料通过静电纺丝法制成高分子纳米纤维复合膜；
[0012](3)对所述高分子纳米纤维复合膜进行煅烧处理，经炭化处理得到所述复合空气电极。
[0013]本专利技术基于静电纺丝技术构建功能化碳纳米纤维一体化空气电极，通过引入过渡金属元素、杂原子掺杂、高温煅烧和化学刻蚀等手段，调控电极材料的尺寸、形貌、晶相性质和元素组成等物理特性，可以得到双功能催化活性优异的功能化碳复合一体化电极，从而避免粘结剂的使用，显著提高锌空气电池的充放电循环稳定性和功率密度。
[0014]优选地，步骤(1)所述前驱体材料包括聚丙烯腈(PAN)、聚四氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯醇(PVA)、聚苯乙烯(PS)或聚甲基丙烯酸酯(PMMA)中的任意一种或至少两种的组合。
[0015]优选地，所述溶剂包括N,N
‑
二甲基甲酰胺、N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮或乙醇中的任意一种或至少两种的组合。
[0016]优选地，所述静电纺丝浆料中前驱体材料的质量浓度为2～10％，例如：2％、4％、6％、8％或10％等。
[0017]优选地，步骤(1)所述添加剂包括过渡金属无机盐、金属有机框架材料或造孔剂中的任意一种或至少两种的组合。
[0018]优选地，所述过渡金属无机盐包括硝酸钴、硝酸镍、氯化锰或氯化铁中的任意一种或至少两种的组合。
[0019]优选地，所述金属有机框架材料包括ZIF
‑
67和/或ZIF
‑
8。
[0020]优选地，所述造孔剂包括二氧化硅微球和/或聚苯乙烯小球。
[0021]优选地，以所述复合电纺浆料的质量为100％计，所述添加剂的质量分数为2～10％，例如：2％、4％、6％、8％或10％等。
[0022]优选地，步骤(2)所述静电纺丝法的环境湿度为40～60％，例如：40％、45％、50％、55％或60％等。
[0023]优选地，所述静电纺丝法的环境温度为20～30℃，例如：20℃、22℃、25℃、28℃或30℃等。
[0024]优选地，所述静电纺丝法的喷嘴到收集屏的距离为15～30cm，例如：15cm、18cm、20cm、25cm或30cm等。
[0025]优选地，所述静电纺丝法的工作电压为8～9kV，例如：8kV、8.2kV、8.5kV、8.8kV或9kV等。
[0026]优选地，所述静电纺丝法的进料速度为0.15～0.3mL/h，例如：0.15mL/h、0.18mL/h、0.2mL/h、0.25mL/h或0.3mL/h等。
[0027]优选地，步骤(3)所述煅烧处理的温度为200～300℃，例如：200℃、220℃、250℃、280℃或300℃等。
[0028]优选地，所述煅烧处理的时间为1～3h，例如：1h、1.5h、2h、2.5h或3h等。
[0029]优选地，所述煅烧处理的升温速度为1.5～3℃/min，例如：1.5℃/min、1.8℃/min、2℃/min、2.5℃/min或3℃/min等。
[0030]优选地，步骤(3)所述碳化的温度为700～900℃，例如：700℃、750℃、800℃、850℃或900℃等。
[0031]优选地，所述碳化的时间为1～3h，例如：1h、1.5h、2h、2.5h或3h等。
[0032]优选地，所述碳化的气氛包括氮气。
[0033]优选地，所述碳化的升温速度为0.5～1.5℃/min，例如：0.5℃/min、0.8℃/min、1
℃/min、1.2℃/min或1.5℃/min等。
[0034]优选地，步骤(3)所述碳化处理后进行氧化处理和/或化学刻蚀。
[0035]第二方面，本专利技术提供了一种复合空气电极，所述复合空气电极通过如第一方面所述方法制得。
[0036]第三方面，本专利技术提供了一种锌空气电池，所述锌空气电池包含如第二方面所述的复合空气电极。
[0037]相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0038](1)本专利技术制备过程简单且电极厚度和孔径可控，孔径均一，成本低廉。可以通过配制不同组成的电纺浆料，实现对过渡金属/聚合物纳米纤维的元素组成(过渡金属Co、Ni、Mn和掺杂元素N、S、P等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合空气电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将前驱体材料和溶剂混合得到静电纺丝浆料，将所述静电纺丝浆料与添加剂混合得到复合电纺浆料；(2)将所述复合电纺浆料通过静电纺丝法制成高分子纳米纤维复合膜；(3)对所述高分子纳米纤维复合膜进行煅烧处理，经炭化处理得到所述复合空气电极。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述前驱体材料包括聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚乙烯醇、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述溶剂包括N,N
‑
二甲基甲酰胺、N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮或乙醇中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述静电纺丝浆料中前驱体材料的质量浓度为2～10％。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述添加剂包括过渡金属无机盐、金属有机框架材料或造孔剂中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述过渡金属无机盐包括硝酸钴、硝酸镍、氯化锰或氯化铁中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述金属有机框架材料包括ZIF
‑
67和/或ZIF
‑
8；优选地，所述造孔剂包括二氧化硅微球和/或聚苯乙烯小球。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈辉，苏树发，吴江雪，李强，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：