一种基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池及其制备方法，属于电化学储能领域

【技术实现步骤摘要】
一种基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学储能领域，具体涉及一种基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池及其制备方法
。

技术介绍

[0002]可充电电化学储能器件广泛用于各类电子产品，但由于其容量密度有限，电量耗尽时，经常需要借助外部电源进行电量补充，频繁充电的操作在某些场合下给人们的生活或生产会造成一定困扰
。
为解决这一困扰，将能量转换装置
(
如可以将光能
、
热能
、
压力等转换成电能的装置
)
和储能装置集中在一个器件中成为自充电器件，可以将收集
、
储存和释放能量的功能集为一体
。
其中，光能
、
热能等需要在特定的环境下收集转换，比如在夜晚就无法收集太阳能
。
然而，氧气在空气中含量丰富且浓度稳定，基于氧气的自充电器件对环境的依赖性较小，是一类较有前景的自充电器件
。
具体来说，如果电极材料
(
正极
)
处在放电态时，可以被氧气氧化而回到充电态，就能实现基于氧气的自充电过程
。
在这个过程中，氧气夺去电极材料中的电子被还原，电极材料失去电子，电势上升，即氧气的氧化作用代替了外部电源的氧化作用
。
[0003]近年来，已报道的可用于氧气自充电的电极材料可分为无机材料
、
有机材料和碳材料
。
无机材料的典型材料有普鲁士蓝
、
氧化钨
、
钒氧化合物等，有机材料则多为导电聚合物
(
聚苯胺
、
聚吡咯等
)、
含
C
＝
N
官能团的化合物等
。
另外，锌金属氧化还原电位较低
(0.76Vvs.
标准氢电极
)
，其比容量高达
820mAh g
‑1，对空气和水的敏感度远低于
Li、Na、K
等金属，将水系锌离子电池和自充电器件相联系，具有广泛的应用前景
。
无机材料具有比容量高的优点，但是连续不断的
Zn
2+
和
H
+
嵌入和脱出会严重影响该种材料的结构稳定性
。
有机材料由于结构的空旷和柔性，可有效缓冲离子嵌入和脱出带来的体积变化，因而在水系锌离子电池中表现出良好的循环稳定性
。
[0004]有机材料聚酰亚胺是一类重要的工程塑料，具有机械强度高
、
热稳定性优异等特点
。
其中，芳香杂环聚酰亚胺的酰胺基团可作为氧化还原活性位点，用作二次电池电极材料时表现出高比容量
、
高倍率和长循环寿命等优异特性
。
将有机材料聚酰亚胺用于化学自充电电池对于发展高性能化学自充电电池具有重要意义
。

技术实现思路

[0005]针对传统有机材料用作氧气自充电电极材料时电池比容量
、
倍率
、
循环寿命等性能较差的问题，本专利技术提供了一种基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池及其制备方法
。
[0006]具体来说，第一方面，本专利技术提供了一种基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池，所述化学自充电电池包括：正极
、
负极
、
电解液以及隔膜；所述正极的材料为具有电化学活性的芳香杂环聚酰亚胺；所述化学自充电电池能够利用空气中的氧气将放电后的聚酰亚胺正极活性材料
氧化进行自充电
。
[0007]较佳地，所述聚酰亚胺的分子量为
20000
‑
250000。
[0008]较佳地，所述负极的材料为锌金属材质；所述隔膜的材料选自聚乙烯
、
聚丙烯微孔膜
、
滤纸
、
或者玻璃纤维
。
[0009]较佳地，所述电解液为锌盐水溶液和钾盐水溶液组成的混合电解液；优选地，所述锌盐选自
ZnSO4、(CH3COO)2Zn、ZnCl2、
或者
ZnNO3，所述钾盐选自
KCl、KNO3、CH3COOK、HCOOK、
或者
K2SO4；所述锌盐
、
钾盐水溶液的浓度为
0.1M
以上
。
[0010]第二方面，本专利技术提供了一种上述基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池的制备方法，包括以下步骤：将二酐
、
二胺
、
催化剂和第一溶剂混合均匀，于
140
～
300℃
下反应1～
12h
，经除杂
、
过滤
、
干燥，得到聚酰亚胺粉末材料；将所述聚酰亚胺粉末材料
、
导电剂
、
粘结剂
、
第二溶剂均匀混合得到浆料，将所述浆料负载于集流体上，干燥，得到聚酰亚胺正极电极；将所述聚酰亚胺正极电极
、
锌金属负极
、
电解液以及隔膜组装，得到所述基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池
。
[0011]较佳地，所述二酐包括
1,4,5,8
‑
萘四甲酸酐
、1,2,4,5
‑
均苯四甲酸二酐或苝
‑
3,4,9,10
‑
四羧酸二酐；所述二胺包括水合肼
、
已二胺
、
或者
1,3
‑
丙二胺；所述催化剂包括无水醋酸锌
、
乙酸酐
。
[0012]较佳地，所述二酐：二胺：催化剂的摩尔比为1‑
2:1
‑
2:1
‑2，优选为
1.02:1:1。
[0013]较佳地，所述第一溶剂
、
第二溶剂均包括咪唑
、N
‑
甲基吡咯烷酮；所述导电剂包括导电炭黑
、
碳纳米管
、
石墨烯
、
银浆；所述粘结剂为聚偏二氟乙烯
PVDF、
聚四氟乙烯
PTFE、
或者羧甲基纤维素
CMC
；所述集流体包括碳毡
、
碳纸
、Ti
箔
、Ti
网
、
不锈钢箔和不锈钢网
。
[0014]较佳地，所述聚酰亚胺
、
导电剂
、
粘结剂按照质量比可以为5‑
9:1
‑
4:1
，优选为
7:2:1。
[0015]有益效果本专利技术提供的化学自充电电池，采用循环寿命长...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池，其特征在于，所述化学自充电电池包括：正极
、
负极
、
电解液以及隔膜；所述正极的材料为具有电化学活性的芳香杂环聚酰亚胺；所述化学自充电电池能够利用空气中的氧气将放电后的聚酰亚胺正极活性材料氧化进行自充电
。2.
根据权利要求1所述的化学自充电电池，其特征在于，所述聚酰亚胺的分子量为
20000
ꢀ‑
250000。3.
根据权利要求1或2所述的化学自充电电池，其特征在于，所述负极的材料为锌金属材质；所述隔膜的材料选自聚乙烯
、
聚丙烯微孔膜
、
滤纸
、
或者玻璃纤维
。4.
根据权利要求1‑3中任一项所述的化学自充电电池，其特征在于，所述电解液为锌盐水溶液和钾盐水溶液组成的混合电解液；优选地，所述锌盐选自
ZnSO4、(CH3COO)2Zn、ZnCl2、
或者
ZnNO3，所述钾盐选自
KCl、KNO3、CH3COOK、HCOOK、
或者
K2SO4；所述锌盐
、
钾盐水溶液的浓度为
0.1 M
以上
。5.
一种权利要求1所述的基于聚酰亚胺正极材料的化学自充电电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二酐
、
二胺
、
催化剂和第一溶剂混合均匀，于
140
～
300℃
下反应1～
12 h
，经除杂
、
过滤
、
干燥，得到聚酰亚胺粉末材料；将所述聚酰亚胺粉末材料
、
导电剂
、
粘结剂
、
第二溶剂均匀混合得到浆料，将所述浆料负载于集流体上，干燥，得到聚酰亚胺正极电极；将所述聚酰亚...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，毕辉，赵遥瑶，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：