本發(fā)明涉及鋅空氣電池和混合電容器領(lǐng)域，具體涉及一種具有雙正極結(jié)構(gòu)鋅空電容器電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、目前，鋰離子電池是目前商業(yè)化最成功的電化學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車和各種便攜式電子設(shè)備。然而，鋰離子電池具有成本高、能量密度低和安全性差等問題，無法滿足日益增長的大規(guī)模儲(chǔ)能需求。因此我們迫切的需要開發(fā)價(jià)格低廉、高能量密度、安全的電池體系。相較于鋰離子電池，鋅空氣電池使用水系電解液，能很好地避免因電解質(zhì)泄露帶來的燃燒風(fēng)險(xiǎn)。此外，鋅空氣電池的理論能量密度高達(dá)1086wh/kg，且地球上的鋅儲(chǔ)量較鋰豐富，容易開采，價(jià)格低廉。因此，鋅空電池被認(rèn)為是一類有前景可作為鋰離子電池補(bǔ)充的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。

2、傳統(tǒng)的可充電鋅空氣電池由鋅金屬負(fù)極、電解質(zhì)和負(fù)載氧還原反應(yīng)(orr)和氧析出反應(yīng)(oer)催化劑的空氣正極組成。由于orr和oer在堿性電解質(zhì)中的快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，堿性電解質(zhì)是鋅空氣電池的常用電解質(zhì)。然而，堿性鋅空電池中鋅負(fù)極的嚴(yán)重副反應(yīng)和枝晶生成，導(dǎo)致充放電循環(huán)能量效率低和電池快速失效。相比之下，中性電解質(zhì)更環(huán)保、溫和，可以賦予鋅空電池更好的使用壽命。但是中性鋅空電池中通常表現(xiàn)出較差的orr和oer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能，相應(yīng)電池的充放電過電勢很大，倍率性能差。

3、金屬離子電容器是一種電化學(xué)電容器，通常由多孔碳正極和金屬負(fù)極組成，其工作原理是利用電解質(zhì)中的離子產(chǎn)生的電荷在電極之間存儲(chǔ)電荷。它們能夠以高速率進(jìn)行充放電，提供高能量密度。由于多孔碳和鋅金屬的低成本特點(diǎn)，鋅離子電容器是安全、高功率、低成本儲(chǔ)能技術(shù)。然而鋅離子電容存在能量密度低的缺點(diǎn)，限制了其廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問題，本發(fā)明構(gòu)建了一種基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池。鋅空電容電池由鋅金屬負(fù)極、中性電解液、電容電極和空氣電極組成的雙正極結(jié)構(gòu)組成。正極中引入電容電極，降低了電池充放電過電勢，使鋅空氣電容器電池?fù)碛懈叩墓β瘦敵?，同時(shí)延長了電池的使用壽命。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池，包括鋅金屬負(fù)極、中性電解液、空氣電極和電容電極，其中所述空氣電極和電容電極為并聯(lián)的正極。

4、優(yōu)選地，所述負(fù)極采用鋅金屬為活性材料；其中鋅片、鋅箔、鋅塊和各種復(fù)合有鋅金屬的物質(zhì)均可作為鋅空電容器電池的負(fù)極。

5、優(yōu)選地，所述電解液為鋅鹽水溶液，所述鋅鹽水溶液溶質(zhì)為硫酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅和雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺鋅的一種或多種；所述鋅鹽溶液濃度為0.2～5mol/l，優(yōu)選為0.5～2mol/l。

6、優(yōu)選地，所述空氣電極為集流體表面上負(fù)載碳材料的電極，負(fù)載量為1～8mg/cm2；所述電容電極為集流體表面上負(fù)載碳材料的電極，負(fù)載量為1～20mg/cm2。

7、優(yōu)選地，所述碳材料選自導(dǎo)電炭黑、多孔炭、活性炭、碳納米管、活性炭纖維中的至少一種。

8、優(yōu)選地，所述集流體包括泡沫鎳、碳紙和不銹鋼網(wǎng)中的一種。

9、第二方面，本發(fā)明提供了一種基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池的制備方法，包括以下步驟：

10、(1)雙正極的制備：將碳材料、粘結(jié)劑分散在溶劑中，混合制成漿料，將所得漿料涂敷到集流體上，干燥得到空氣電極；

11、將碳材料、粘結(jié)劑和導(dǎo)電添加劑分散在溶劑中，混合制成漿料，將所得漿料涂敷到集流體上，干燥得到電容電極；

12、(2)基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池組裝：依次按鋅片、空氣電極、電容電極的順序組裝，加入電解液后即可得到雙正極結(jié)構(gòu)鋅空電容器電池。

13、優(yōu)選地，步驟(1)的所述空氣電極制備過程中，碳材料和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(8～10):1；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述碳材料和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為9:1。

14、優(yōu)選地，步驟(1)的所述電容電極制備過程中，所述碳材料、導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(15～20):(1.5～2.5):1；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述碳材料、導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為85:10:5。

15、優(yōu)選地，步驟(1)的所述集流體包括泡沫鎳、碳紙和不銹鋼網(wǎng)中的一種。

16、優(yōu)選地，步驟(1)的所述粘結(jié)劑包括羧甲基纖維素鈉、聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯中的一種或多種。

17、優(yōu)選地，步驟(1)的所述導(dǎo)電添加劑包括炭黑、乙炔黑、科琴黑、導(dǎo)電石墨和碳納米管中的一種或多種。

18、優(yōu)選地，步驟(1)的所述分散劑包括水、乙醇和n-甲基吡咯烷酮中的一種或多種。

19、第三方面，本發(fā)明提供了一種雙正極結(jié)構(gòu)在鋅空電容器電池中的用途，其中所述雙正極結(jié)構(gòu)包括并聯(lián)的空氣電極和電容電極。

20、優(yōu)選地，所述空氣電極為集流體表面上負(fù)載碳材料的電極，負(fù)載量為1～8mg/cm2；所述電容電極為集流體表面上負(fù)載碳材料的電極，負(fù)載量為1～20mg/cm2。

21、優(yōu)選地，所述碳材料選自導(dǎo)電炭黑、多孔炭、活性炭、碳納米管、活性炭纖維中的至少一種。

22、優(yōu)選地，所述集流體包括泡沫鎳、碳紙和不銹鋼網(wǎng)中的一種。

23、有益效果

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

25、本發(fā)明公開了一種基于中性電解液雙正極結(jié)構(gòu)鋅空電容器電池及其制備方法。本發(fā)明在中性鋅空電池的基礎(chǔ)上，向體系中引入電容電極，將鋅空氣電池的高能量特性和超級(jí)電容器的高功率特性結(jié)合在一個(gè)裝置中，構(gòu)建了“鋅空氣電容器電池”。電容電極的引入降低了鋅空電池充放電的過電勢，提高了電池的功率，延長了電池的使用壽命；同時(shí)，為未來新型多功能電子器件的開發(fā)提供了新的思路。

技術(shù)特征：

1.一種基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池，包括鋅金屬負(fù)極、中性電解液、空氣電極和電容電極，其中所述空氣電極和電容電極為并聯(lián)的正極。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池，其特征在于，所述負(fù)極采用鋅金屬為活性材料；其中鋅片、鋅箔、鋅塊和各種復(fù)合有鋅金屬的物質(zhì)均可作為鋅空電容器電池的負(fù)極。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池，其特征在于，所述電解液為鋅鹽水溶液，所述鋅鹽水溶液溶質(zhì)為硫酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅和雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺鋅的一種或多種；所述鋅鹽溶液濃度為0.2～5mol/l，優(yōu)選為0.5～2mol/l。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池，其特征在于，所述空氣電極為集流體表面上負(fù)載碳材料的電極，負(fù)載量為1～8mg/cm2；所述電容電極為集流體表面上負(fù)載碳材料的電極，負(fù)載量為1～20mg/cm2。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池，其特征在于，所述碳材料選自導(dǎo)電炭黑、多孔炭、活性炭、碳納米管、活性炭纖維中的至少一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池，其特征在于，所述集流體包括泡沫鎳、碳紙和不銹鋼網(wǎng)中的一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池的制備方法，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)的所述空氣電極制備過程中，碳材料和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(8～10):1；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述碳材料和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為9:1；

9.雙正極結(jié)構(gòu)在鋅空電容器電池中的用途，其中所述雙正極結(jié)構(gòu)包括并聯(lián)的空氣電極和電容電極。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用途，其特征在于，所述空氣電極為集流體表面上負(fù)載碳材料的電極，負(fù)載量為1～8mg/cm2；所述電容電極為集流體表面上負(fù)載碳材料的電極，負(fù)載量為1～20mg/cm2；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于雙正極結(jié)構(gòu)的鋅空電容器電池及其制備方法，所述鋅空電容器電池包括鋅金屬負(fù)極、中性電解液、空氣電極和電容電極，其中所述空氣電極和電容電極為并聯(lián)的正極。根據(jù)本發(fā)明的鋅空電容器電池在中性鋅空電池的基礎(chǔ)上，向體系中引入電容電極，將鋅空氣電池的高能量特性和超級(jí)電容器的高功率特性結(jié)合在一個(gè)裝置中，構(gòu)建了“鋅空氣電容器電池”。電容電極的引入降低了鋅空電池充放電的過電勢，提高了電池的功率，延長了電池的使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：閻興斌,竇青云,鐘楚怡
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19