一种柔性金属电极的制备方法技术

本发明专利技术为一种柔性金属电极的制备方法。该方法首先制备室温下为液态的镓基液态金属合金如共晶镓

【技术实现步骤摘要】
一种柔性金属电极的制备方法


[0001]本专利技术涉及液态金属电极的制备方法及其应用，更具体地说，是涉及一种柔性金属
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空气电池液态金属电极的制备及其在电池中的应用，属于二次电池相关领域。

技术介绍

[0002]近年来，随着科学技术和工业技术的进步，重量轻、便携、灵活性高的柔性电子产品备受关注，给人们的生活带来了革命。为了进一步实现柔性电子的普及，开发相应的柔性储能系统，满足柔性电子的便携式和柔性标准，并为其提供不间断的电源，是至关重要的，也是具有挑战性的。在保证电化学性能的前提下，柔性锂空气电池中的所有组件都应该是柔性的，以适应变形中的应力和应变。然而，阴极和集流体通常为刚性碳纸或多孔金属，难以满足柔性锂空气电池的需求，严重制约了电池柔性的发展。此外，阴极应具有高催化活性以促进锂
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空气电池的氧析出和氧还原反应。因此，迫切需要为柔性锂空气电池开发具有高机械稳定性与催化活性的的柔性高性能阴极材料。但是目前柔性空气电极的制备方法大都较为复杂，部分柔性电极的制备需要在一定条件下才能形成。CN 107863494 A公开了一种用于锂空气电池的柔性气体电极的制备方法，通过预处理的碳布负载金属催化剂，然后在其表面上生长CNTs，最后将复合电极材料在KMnO4和H2SO4的混合溶液中反应，洗涤干燥，工艺复杂且能耗和成本增加；CN 0.9216679 A公开了一种针刺状柔性空气电极材料的制备方法，将乙酸镍、乙酸钴和硫代乙酸酰胺加入到去离子水中搅拌形成均匀混合溶液，再将混合溶液和碳布进行水热反应，反应结束后冷却至室温取出产物，得到针刺状柔性空气电极，这种方法复杂，工艺繁琐；
[0003]镓基液态金属合金如共晶镓
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锡(GaSn)和镓
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铟
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锡(GaInSn)等，因其优异的性能，包括高导电性和导热性、高表面张力、低蒸气压、低毒性等，以及良好的流动性和化学稳定性受到广泛关注。在储能领域，液态金属如Ga、Ga/Sn和Ga/In已被用作LIBs的阳极。在金属空气电池领域，因其高表面张力和较低的催化活性，在空气正极研究领域受到限制；K.Luo等(Mater.Today Energy.2020.18.10055)先配置了镓锡液态金属，通过超声分散液态金属颗粒，按照一定的比例与多壁碳纳米管复合制备液态金属复合电极，这种方法较为复杂，液态金属附着力较低，且催化性能有限，电池容量较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的为针对以上存在的问题，提供了一种柔性液态金属电极的制备方法及其应用。该方法首先制备室温下为液态的镓基液态金属合金如共晶镓
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锡(GaSn)和镓
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铟
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锡(GaInSn)，再通过机械研磨的方法，引入高比表面能和较高催化活性的钌、铂、铊、钯等金属颗粒，保证金属颗粒与液态金属的充分接触，降低其表面张力，能够增加液态金属电极的活性表面积，同时与集流体拥有良好的接触，避免了柔性金属电极在循环过程中及面对一定机械性变上，活性材料的剥落，有效的改善了柔性金属空气电池的循环性能和机械性能。本专利技术方法简单，成本低廉且实用有效。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种柔性金属电极的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)称取镓单质或镓基液态金属合金的相关金属单质，然后将其放置在加热台上，加热至全部融化后恒温2
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3h，然后自然冷却到室温收集，得到预置液态金属；
[0008]所述的镓基液态金属合金具体为镓锡、镓铟或镓铟锡；
[0009]当为镓单质时，加热温度为30～60度；当为镓基液态金属合金时，加热温度为180
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220℃；
[0010](2)将添加金属颗粒加入到预置液态金属中，在室温下，进行机械研磨10～20分钟，得到柔性液态金属材料；
[0011]其中，每g预置液态金属中加入金属颗粒材料量为0.1～0.2g，所述的室温镓基液态金属中的金属镓的质量百分比优选为70％～99％；
[0012]所述的添加金属为钌、铂、钯和钼中的一种或多种；
[0013]所述的添加金属颗粒得粒径范围为微米级(1
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5μm)；
[0014]所述的研磨为人工研磨和机械研磨；
[0015]所述的镓基液态金属为二元合金、多元合金的一种或几种；
[0016]所述的镓基液态金属二元合金为Ga/In、Ga/Sn、Ga/Bi、Ga/Cd、Ga/Al、Ga/Zn、Ga/Hg、Ga/Ag等；所述的室温镓基液体金属多元合金为Ga/In/Sn、Ga/In/Sn/Zn、Ga/In/Sn/Fe等。
[0017](3)将上步得到混合液态金属材料涂覆于碳布集流体上，每平方厘米碳布涂覆1～5mg混合液态金属，得到柔性金属电极；
[0018]所述的柔性金属电极的应用，作为电池中的柔性金属空气正极；
[0019]将柔性金属电极、金属锂负极和醚基电解液按照正确的顺序组装锂空气电池；
[0020]其中，醚基电解液的溶剂为醚类溶剂；所述的醚基电解液中的盐为锂材料中所含组分相对应的金属阳离子盐；电解液中金属阳离子盐的质量百分浓度为0.01％～40％；
[0021]所述的醚类溶剂为乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚和四乙二醇二甲醚中的一种或几种；
[0022]所述的金属阳离子盐当为一种时，金属阳离子盐为锂盐；当为多种时，金属阳离子盐为锂盐和其它盐，所述的其它盐为钠盐或钾盐的一种或两种；具体为NaTFSI、NaClO4、NaCF3SO3、KClO4、KCF3SO3或KTFSI。
[0023]所述的电池优选为纽扣电池或软包电池。
[0024]本专利技术的有益效果是：
[0025]本专利技术采用一种简单的方法制备柔性金属空气电池的液态金属电极，先制备了室温下为液态的镓基液态金属，通过引入高比表面能和优异催化活性的金属颗粒制备一种柔性金属电极，该方法可以有效降低液态金属金属较高的表面张力，增加活性表面积以及与集流体良好的接触性，同时引入的高催化活性的金属颗粒可以降低过电位，应用于以锂/钠为阳极的各种金属空气体系当中，展现出优异的循环稳定性。该方法制备的柔性金属电极不需要超声，水热反应等条件，柔性金属电极可以直接研磨制成，方法更加灵活，应用也更加广泛。并且在电极制备过程中无导电剂和粘结剂的参与，避免了电池体系循环过程中一些副反应的发生，应用于相应的金属空气电池当中，可以有效的促进放电产物的分解，提高
电池机械性能和催化性能。该方法制备的柔性金属电极应用于柔性锂离子电池体系当中，可以通过液态金属合金化，抑制锂枝晶的生长，提高电池安全性和长循环性能。并且制备过程中不需要超声、水热反应等操作工序，方法简单，应用广泛。
[0026]下面结合实例1来具体说明，液态金属因其较大的表面张力，在柔性碳布基底上很难铺展，并且与碳布具有差的界面接触，容易脱落，而本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性金属电极的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：(1)称取镓单质或镓基液态金属合金的相关金属单质，然后将其放置在加热台上，加热至全部融化后恒温2
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3h，然后自然冷却到室温收集，得到预置液态金属；所述的镓基液态金属合金具体为镓锡、镓铟或镓铟锡；当为镓单质时，加热温度为30～60度；当为镓基液态金属合金时，加热温度为180
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220℃；(2)将添加金属颗粒加入到预置液态金属中，在室温下，进行机械研磨10～20分钟，得到柔性液态金属材料；其中，每g预置液态金属中加入金属颗粒材料量为0.1～0.2g，所述的添加金属为钌、铂、钯和钼中的一种或多种；(3)将上步得到混合液态金属材料涂覆于碳布集流体上，每平方厘米碳布涂覆1～5mg混合液态金属，得到柔性金属电极。2.如权利要求1所述的柔性金属电极的制备方法，其特征为所述的镓基液态金属合金为二元合金和多元合金中的一种或几种；所述的二元合金为Ga/In、Ga/Sn、Ga/Bi、Ga/Cd、Ga/Al、Ga/Zn、Ga/Hg或Ga/Ag；所述的多元合金为Ga/In/Sn、Ga/In/Sn/Zn或Ga/In/Sn/Fe。3.如权利要求1所述的柔性金属电极的制备方法，其特征为所述的镓基液态金属合金中的金属镓的质量百分比优选为70％～99％...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘喜正，张清旭，丁轶，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：