一种柔性中性锌空气电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于空气电池技术领域，具体涉及一种柔性中性锌空气电池及其制备方法。本发明专利技术制备方法包括以下步骤：(1)将钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67热解后掺杂非金属原子，获得非金属原子掺杂的多孔氮碳；将无机盐加入聚合物水溶液中混合均匀后冷凝获得固态电解质；(2)以金属锌作为负极，所述非金属原子掺杂的多孔氮碳作为正极，所述固态电解质作为电解质，组装柔性中性锌空气电池。本发明专利技术将具有核壳结构的ZIF8@ZIF67材料热解、掺杂便可得到一种多孔碳复合材料，具有独特的电子结构和组分，因此在中性环境下具有较高的氧还原、氧析出催化活性以及出色的稳定性。氧析出催化活性以及出色的稳定性。氧析出催化活性以及出色的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性中性锌空气电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于空气电池
，具体涉及一种柔性中性锌空气电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属空气电池的比容量和能量密度通常高于现有电池，因为电池内部不需要储存空气，有望成为具有高能量密度和低成本的电化学存储系统。金属空气电池使用纯金属作为阳极，外部氧气(O2)的氧化还原反应作为阴极反应。在放电过程中，金属阳极被氧化而空气中的O2被还原。其中，锌空气电池(ZABs)因其使用不可燃水性电解质和无毒锌的固有安全性、低成本和高理论比能量密度备受人们青睐。
[0003]传统的ZABs使用碱性电解质，受到电解质的高腐蚀性和快速碳酸化以及充电和放电循环期间锌枝晶形成的限制。碱性电解质碳酸化导致离子电导率降低，而锌枝晶导致器件短路。两者都不利于ZAB的使用寿命和可回收性。目前的研究主要集中在碱性ZABs上，但是碱性电解质的腐蚀和碳化问题仍然没有得到有效的解决。因此，开发中性电解质代替碱性电解质对于锌
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空电池的长期发展意义重大。
[0004]然而，相比于碱性电解质，中性介质通常具有较低的离子电导率和极低的OH
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浓度，这会导致充电过程中的析氧反应(OER)和放电过程中的氧还原反应(ORR)动力学更加缓慢。因此，迫切需要开发一种适用于中性环境的高活性和耐用性双功能催化剂，以最大限度地提高中性ZAB的性能。
[0005]所以，现有技术仍缺乏一种使用中性介质电解质、具有高活性和耐用性的柔性中性锌空气电池。
专利技术内容
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种柔性中性锌空气电池的制备方法，其目的在于通过一种简单有效的热解法制备出尺寸均一的多边形共掺杂的阴极催化材料，其对中性锌空气电池的阴极催化反应展现出优异的电催化活性和稳定性。同时利用常见的盐水溶液与PVA复合制备出一种柔性电解质。通过将该专利技术制备的阴极催化材料与固态电解质复合组装成的中性柔性锌
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空电池在放电过程中展现出较高的功率密度和良好的稳定性，可满足有关领域应用和发展的要求。本专利技术的详细技术方案如下所述。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种柔性中性锌空气电池的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67热解后掺杂非金属原子，获得非金属原子掺杂的多孔氮碳；将无机盐加入聚合物水溶液中混合均匀后冷凝获得固态电解质；
[0009](2)以金属锌作为负极，所述非金属原子掺杂的多孔氮碳作为正极，所述固态电解质作为电解质，组装柔性中性锌空气电池。
[0010]作为优选，所述掺杂为气化掺杂或溶剂化学吸附法掺杂。
[0011]作为优选，所述气化掺杂为将含有非金属的前驱体气化后负载在热解后的钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67上。
[0012]作为优选，所述溶剂化学吸附法掺杂为将含有非金属的前驱体配置为前驱体溶液，热解后的钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67吸附前驱体溶液通过化学键配位完成掺杂。
[0013]作为优选，所述非金属原子为磷、硫、硼、氯和氮中的至少一种；
[0014]优选的，所述非金属原子为磷，含有磷的前驱体为次亚磷酸钠、三苯基膦、磷酸氢钠和磷酸二氢钠中的至少一种。
[0015]作为优选，所述钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67通过以下方法制备而成：将锌盐修饰的沸石咪唑酸盐骨架ZIF8粉末超声分散在醇溶液中记为第一溶液，将钴盐修饰的沸石咪唑酸盐骨架ZIF67记为第二溶液，将第二溶液加入第一溶液中持续搅拌24
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48h，离心干燥后获得钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67。
[0016]作为优选，所述的第一溶液与第二溶液体积比为(1
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2)：(1
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2)。
[0017]作为优选，所述无机盐为氯化钾、氯化钠、氯化铵、硫酸锌、三氟甲磺酸锌和氯化锌中的至少一种，优选为氯化钾和氯化铵的混合。
[0018]作为优选，所述聚合物为聚乙烯醇、聚吡咯、聚丙烯酰胺和聚苯胺中的一种。
[0019]按照本专利技术的另一方面，提供了一种柔性中性锌空气电池，根据前面所述的制备方法制备而成。
[0020]本专利技术的有益效果有：
[0021](1)本专利技术将具有核壳结构的ZIF8@ZIF67材料热解、掺杂便可得到一种多孔氮碳复合材料，具有独特的电子结构和组分，因此在中性环境下具有较高的氧还原催化活性，三电极测试时该材料于掺杂前的材料相比表现出较好的反应动力学能力，具体表现为较低的塔菲尔斜率，在固态电解质组装成的中性固态锌空气电池与商业化贵金属催化剂相比，展现出了更高的功率密度，而且制备方法简单、价格低廉，适合工业大规模生产。
[0022](2)本专利技术电解质方面利用PVA与传统盐类结合，制备出柔韧性较好、可大规模制备的固态电解质。催化剂方面利用钴作为金属中心，2
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甲基咪唑作为有机配体，以配位的形式组成具有周期性网络结构的多孔材料(ZIF67)，然后通过简单的搅拌法获得具有核壳结构的ZIF8@ZIF67，最后利用热解法将具有核壳结构的ZIF8@ZIF67碳化成尺寸均匀、形状规整的十二面体。由于钴位点的存在，因此碳化过程中MOF衍生的碳表面会生长出碳纳米管，增加氧还原的活性位点。
[0023](3)MOFs衍生的碳基纳米材料具有丰富的活性位点，高的比表面积和导电性，本身就是一种潜在的ORR高效催化材料,P原子的掺杂增强了离子的化学吸附和材料的导电性，从而提高了反应速率。
[0024](4)固态电解质有益于器件便携和小型化，为可穿戴设备的发展具有重大意义，制备得到的氮磷共掺的多孔碳催化剂对中性电催化中展现出优异的电催化活性和稳定性，能很好的应用于燃料电池的阴极催化剂。
附图说明
[0025]图1是实施例1中步骤(1)制备的磷掺杂的钴氮碳的场发射形貌图。
[0026]图2实施例1和对比实施例2制备的多孔碳复合材料的XRD图，其中，上图是实施例1制备的磷共掺的钴氮碳，下图是对比实施例2无磷掺杂的钴氮碳。
[0027]图3是实施例1、对比实施例1，2、3在三电极系统中的氧还原极化曲线测试图。
[0028]图4是图3对应的塔弗尔斜率的动力学计算图。
[0029]图5是实施例1
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3和对比实施例1放电功率密度曲线测试图。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031]实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性中性锌空气电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67热解后掺杂非金属原子，获得非金属原子掺杂的多孔氮碳；将无机盐加入聚合物水溶液中混合均匀后冷凝获得固态电解质；(2)以金属锌作为负极，所述非金属原子掺杂的多孔氮碳作为正极，所述固态电解质作为电解质，组装柔性中性锌空气电池。2.根据权利要求1所述的锌空气电池的制备方法，其特征在于，所述掺杂为气化掺杂或溶剂化学吸附法掺杂。3.根据权利要求2所述的锌空气电池的制备方法，其特征在于，所述气化掺杂为将含有非金属的前驱体气化后负载在热解后的钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67上。4.根据权利要求2所述的锌空气电池的制备方法，其特征在于，所述溶剂化学吸附法掺杂为将含有非金属的前驱体配置为前驱体溶液，热解后的钴金属有机框架材料包覆锌金属有机框架材料ZIF8@ZIF67吸附前驱体溶液通过化学键配位完成掺杂。5.根据权利要求3或4所述的锌空气电池的制备方法，其特征在于，所述非金属原子为磷、硫、硼、氯和氮中的至少一种；优选的，所述非金属原子为磷，含有磷的前驱体为次亚磷酸钠、三苯基膦、磷...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏宝玉，何超慧，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：