一种不含离子交换膜的水系锌-碘电池及制备方法技术

一种不含离子交换膜的水系锌

【技术实现步骤摘要】
一种不含离子交换膜的水系锌
‑
碘电池及制备方法


[0001]本专利技术涉及电化学储能器件
，尤其涉及一种不含离子交换膜的水系锌
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碘电池及制备方法。

技术介绍

[0002]随着化石燃料消费需求的增加和环境污染问题的加剧，开发高性能、清洁的能源存储装置是一项迫在眉睫的任务。锂离子电池是目前市场上占支配地位的二次电池，但锂资源储量有限，电池制造成本高，而且所使用的有机系电解液带来了起火爆炸风险。因此，开发低成本、安全高效的新型二次电池体系具有现实意义，尤其是针对大规模储能系统。锌相对标准氢电极有着
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0.76V的电势，而且有着820 mAh/g的较大理论比容量。利用锌负极和含碘电解液可以构建液流电池（CN201410776231）, 但是该类型的电池需要离子交换膜以隔开两种不同的电解液，以及附加的循环水泵。如果没有离子交换膜，由于碘三阴离子(I3‑
)的“穿梭效应”，其与金属锌负极接触而发生反应，导致锌负极容易腐蚀，电池的容量逐渐降低，以及库伦效率降低。
[0003]为抑制碘的穿梭效应，现有的改进方法有：将I2锚定在多孔载体上并考察了I2载量对电池性能的影响(Journal of Materials Chemistry A 2020, 8(7), 3785
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3794)；还有研究者使用Nafion膜来抑制锌
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碘电池中的穿梭效应(Energy&Environmental Science 2017, 10(3), 735
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741)；以及在锌负极表面构建Zn
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BTC类MOF层来选择性屏蔽I3‑
离子，从而抑制穿梭效应(Advanced Materials 2020, 32(38), 2004240)。但是这些材料涂层的制备步骤繁琐，不易同时处理锌的正反两面，原材料成本较高，将会显著降低锌
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碘电池的成本优势。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种不含离子交换膜的水系锌
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碘电池及制备方法，旨在解决现有的电池的制备方法的成本高的问题。
[0005]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种用于水系锌
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碘电池的表面改性的锌负极，制备方法包括以下步骤：按照一定摩尔比称取硒源、乙酸钠、有机醇，加入去离子水搅拌溶解，得到反应液；将经过清洗处理的锌片浸泡在所述反应溶液中静置反应，将反应后的所述锌片用去离子水、无水乙醇按顺序清洗，经真空干燥后，得到表面覆盖有非晶Se纳米膜的锌负极，记为Zn@Se；将所述Zn@Se作为负极，活性炭涂层或自支撑膜作为正极，采用溶解有硫酸锌、碘化锌、溴化锌和碘单质的水溶液作为电解液，构建锌
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碘可充电电池。
[0006]其中，所述硒源为二氧化硒、亚硒酸、亚硒酸钠和亚硒酸氢钠中的一种或多种，并添加乙酸钠调配pH在4.5
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5.5；有机醇为乙醇、乙二醇、异丙醇和丙三醇中的一种或多种。
[0007]其中，所述硒源中硒元素的浓度为0.1
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0.5 M；所述乙酸钠的浓度为0.02
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0.05 M；所述有机醇的体积分数为5%
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30%。
[0008]其中，所述浸泡在室温和常压下进行，浸泡时间为1
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12小时；所述清洗处理包括使用有机溶剂对锌片超声清洗后用去离子水冲洗，然后干燥；所述静置反应的时间为0.5
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2 小时。
[0009]其中，所述有机溶剂为丙酮与乙醇的混合溶液。
[0010]其中，所述活性炭涂层的制备方法包括：导电碳布或者碳纸放入浓度为1 M的稀硝酸中超声清洗3小时，随后用去离子水反复清洗至中性；在60℃烘箱中干燥6小时后，得到亲水碳布或者亲水碳纸；多孔活性炭粉和聚偏氟乙烯、乙炔黑按质量比8:1:1分散于N
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甲基吡咯烷酮中，随后磁力搅拌12小时得到浓度约为20 mg/mL的碳粉浆料；将所述碳粉浆料均匀地涂覆在所述亲水碳布或者亲水碳纸上，随后置于100 ℃的烘箱中干燥12小时，得到活性炭涂层。
[0011]第二方面，本专利技术提供了一种不含离子交换膜的水系锌
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碘电池，包括负极、正极和电解液；所述负极为Zn@Se；所述正极为活性炭涂层或自支撑膜；所述电解液为溶解有硫酸锌、碘化锌、溴化锌和碘单质的水溶液。
[0012]本专利技术的一种不含离子交换膜的水系锌
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碘电池的制备方法，通过按照一定摩尔比称取硒源、乙酸钠、有机醇，加入去离子水搅拌溶解，得到反应液；将经过清洗处理的锌片浸泡在所述反应溶液中静置反应，将反应后的所述锌片用去离子水、无水乙醇按顺序清洗，经真空干燥后，得到表面覆盖有非晶Se纳米膜的锌负极，记为Zn@Se；将所述Zn@Se作为负极，活性炭涂层或自支撑膜作为正极，采用溶解有硫酸锌、碘化锌、溴化锌和碘单质的水溶液作为电解液，构建锌
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碘可充电电池。本专利技术提供了一种利用溶液反应法在锌片表面形成一层非晶Se膜。该膜中硒与锌元素之比随着膜厚度的增加而降低，在膜厚从1微米增加到10微米时，Se:Zn摩尔比约从1:6降低到1:12。该非晶Se膜能够允许锌离子的通过，在充放电循环过程中，通过寄生反应诱导生长出一层非晶的Zn(OH)2与ZnO混合的纳米片网络结构，起到了抑制析氢、抑制碘离子的穿梭效应、提高电池的循环寿命之效果。本专利技术生产工艺极其简单，只需将商业化金属Zn片在反应液中反应一定时间即可。本专利技术中原料来源广泛、价格便宜，生产成本低，适于大规模生产。采用本专利技术改性锌负极的电池性能优异，30000圈内稳定运行，没有发生短路。解决了现有的水系锌
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碘电池的多碘阴离子的穿梭效应的问题。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1是锌片表面形成棕色非晶Se纳米膜后的(a)实物光学照片与(b)扫描电子显微
镜形貌图。
[0015]图2是(a)锌片负极表面形成Se膜后XPS全谱；(b)表面有Se膜的锌片与纯锌片的XRD谱对比；(c) Tauc Plot法求Se膜的光学禁带宽度；(d) Se膜的Raman光谱。
[0016]图3是分别用纯锌片和表面覆盖有Se的锌片为负极，与活性炭正极组合构建的锌
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碘扣式电池的恒电流充放电曲线对比。
[0017]图4是全电池循环50次后，锌负极表面的微观形貌图。(a)表面有Se膜的锌片；(b)未表面处理的纯锌片。
[0018]图5是 (a)表面有Se膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不含离子交换膜的水系锌
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碘电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按照一定摩尔比称取硒源、乙酸钠、有机醇，加入去离子水搅拌溶解，得到反应液；所述反应液中的硒源为二氧化硒、亚硒酸、亚硒酸钠和亚硒酸氢钠中的一种，并添加乙酸钠调配pH值在4.5
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5.5；所述有机醇为乙醇、乙二醇、异丙醇和丙三醇中的一种或多种；（2）将经过清洗处理的锌片浸泡在所述反应溶液中进行化学浴沉积反应，将反应后的所述锌片用去离子水、无水乙醇按顺序清洗，经真空干燥后，得到表面覆盖有非晶Se纳米膜的锌负极，记为Zn@Se；（3）将所述Zn@Se作为负极，活性炭涂层作为正极，采用溶解有硫酸锌、碘化锌、溴化锌和碘单质的水溶液作为电解液，构建锌
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碘可充电电池。2.如权利要求1所述的不含离子交换膜的水系锌
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碘电池的制备方法，其特征在于，所述硒源中硒元素的浓度为0.1
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0.5 M；所述乙酸钠的浓度为0.02
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0.05 M；所述有机醇的体积分数为5%
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30%。3.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金章，袁相程，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：