一种无正极弱酸性水系锌锰电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种无正极弱酸性水系锌锰电池及其制备方法，该无正极弱酸性水系锌锰电池的制备方法包括如下步骤：S1、制备弱酸性溶液；S2、电解液的制备；S3、解耦凝胶电解质的制备；S4、无正极扣式电池制备；S5、活性物质负载。通过电化学工作站或蓝电电化学工作站将电池的电解质中的锰离子氧化为锰氧化物，制备得到无正极弱酸性水系锌锰电池。该电池由于无正极不需要制备活性物质糊料以及相应的涂覆步骤，从而使其制备步骤减少，减少工艺时间。减少工艺时间。

【技术实现步骤摘要】
一种无正极弱酸性水系锌锰电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种储能器件，特别涉及一种无正极弱酸性水系锌锰电池及其制备方法，属于储能器件


技术介绍

[0002]锌金属因其丰富的资源、较低的阳极电势和较高的理论容量而被认为是水性可充电电池的理想阳极材料，有望应用于柔性电子储能领域。在水系锌离子电池中锌钒电池具有最好的循环稳定性，但其能量密度不够高。锌硫电池具有最高的能量密度，因为硫电极具有超高的比容量。然而，它的副反应限制了循环的稳定性。与其他金属阳极和氧化物阴极相比，可充电水性锌锰电池具有理论容量高、无毒、金属锌和锰氧化物成本低的优点。
[0003]MnO2的双电子反应与H
+
和Zn
2+
的插入/提取的单电子反应的结合是一种新的方法，这不仅可以抑制Mn的溶解，而且可以增加阴极的容量和放电平台。然而，MnO2的可逆沉积和溶解通常在高电位的酸性电解质中实现，这对锌负极的耐腐蚀性和析氧抑制产生了巨大挑战，因此当设计为去耦配置时，基于MnO2/Mn
2+
反应的锌锰电池有望提高能量密度和循环稳定性，然而，解耦的电解质需要昂贵的离子选择性膜，以防止两种电解质在循环过程中混合，这阻碍了它们在主流应用中的使用，而将凝胶电解质进行解耦，不仅可以保护锌负极免受腐蚀，同时凝胶具有大量亲水官能团，能够和水产生氢键极大限制的降低了自由水含量，可以有效抑制析氧反应发生，减少活性物质的溶解，提高容量保留率，同时可以提高电压窗口至2V以上。相比于强酸条件，弱酸条件更能满足绿色安全的指标，而在弱酸条件下进行放电生成的碱式硫酸锌会对放电容量至关重要，碱式硫酸锌对放电过程起到辅助作用。
[0004]活性物质的负载往往是制备电池中耗时最长且损失最大的一个环节，同时活性物质糊料中的有机溶剂也会进一步污染环境，而选择制备无正极电池仅需要在制备电池时以导电集流体作为正极活性物质负载处，并在制备成器件后通过恒压充电或计时电流法将凝胶电解质中的锰离子氧化负载到导电集流体上作为电池正极并加以使用，以此方法可以以高能量效率沉积活性物质，并以高工作平台进行放电，这种安全、经济、长循环和高能的水系锌锰电池可能是柔性电池领域的一种有前途的候选者。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种无正极弱酸性水系锌锰电池，该电池由于无正极不需要制备活性物质糊料以及相应的涂覆步骤，从而使其制备步骤减少，减少工艺时间，同时能够减少由于在活性物质糊料涂覆过程中造成的误差(大部分活性物质糊料涂覆都是手工涂覆具有很大误差)。
[0006]本专利技术还提供一种所述水系锌锰电池的制备方法，该方法具有简单方便，成本低廉，绿色环保的优势，同时为后续制备新型结构电池提供了新思路。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008]一种无正极弱酸性水系锌锰电池的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0009]S1、制备弱酸性溶液：
[0010]将适量酸溶于水中搅拌1
‑
5h，制备pH值为2
‑
3的弱酸性溶液；
[0011]所述酸选自柠檬酸、浓硫酸、碳酸、盐酸、苹果酸、草酸或硝酸中的一种或几种；
[0012]S2、电解液的制备：
[0013]将丙烯酰胺、七水硫酸锌和硫酸锰加入S1制得的弱酸性溶液中混匀，再依次加入N
‑
N亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂，混匀得到弱酸性电解液；所述弱酸性电解液含有以下质量百分含量计的组分：丙烯酰胺15
‑
30％，七水硫酸锌25
‑
30％，硫酸锰5
‑
10％，N
‑
N亚甲基双丙烯酰胺0.05
‑
0.5％，光引发剂0.05
‑
0.5％，余量为弱酸性溶液，溶液pH值为3
‑
5；
[0014]将丙烯酰胺和七水硫酸锌依次加入水中混匀，再依次加入N
‑
N亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂，混匀得到中性电解液；所述中性电解液含有以下质量百分含量计的组分：丙烯酰胺15
‑
30％，七水硫酸锌25
‑
30％，N
‑
N亚甲基双丙烯酰胺0.05
‑
0.5％，光引发剂0.05
‑
0.5％，余量为水；
[0015]S3、解耦凝胶电解质的制备：
[0016]将弱酸性电解液注入聚四氟乙烯模板中，用UV灯照射进行光引发反应，反应后得到弱酸性凝胶电解质，
[0017]将中性电解液堆叠在弱酸性凝胶电解质表面，用UV灯照射进行光引发反应，反应后得到解耦凝胶电解质；
[0018]S4、无正极扣式电池制备
[0019]以S3制得的解耦凝胶电解质作为电池的电解质，封装，制备得到无正极的锌锰扣式电池，其中解耦凝胶电解质中弱酸性凝胶电解质侧与电池的正极集流体贴合，中性凝胶电解质与电池的负极贴合；
[0020]S5、活性物质负载
[0021]通过电化学工作站或蓝电电化学工作站将电池的电解质中的锰离子氧化为锰氧化物，制备得到无正极弱酸性水系锌锰电池。
[0022]作为优选，S2中所述光引发剂选自2
‑
羟基
‑2‑
甲基苯丙酮，2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
二苯基氧化膦，2
‑
甲基
‑2‑
(4
‑
吗啉基)
‑1‑
[4
‑
(甲硫基)苯基]‑1‑
丙酮，1
‑
羟基环己基苯基甲酮中的一种或几种。
[0023]作为优选，S3中弱酸性凝胶电解质的厚度为0.25
‑
2mm，UV灯引发时间为2
‑
30min，中性凝胶电解质的厚度为0.25
‑
2mm，UV灯引发时间为2
‑
30min，解耦凝胶电解质厚度为0.5
‑
4mm。
[0024]作为优选，UV灯波长为250
‑
400nm。
[0025]作为优选，S4中正极集流体为导电碳纸、碳布或石墨纸中的一种。
[0026]作为优选，S4中封装时采用的压力为25
‑
100kg cm
‑2。
[0027]作为优选，S5恒压充电的电压为1.6
‑
2.4V，恒压充电的时间为1
‑
120min。
[0028]作为优选，S4、无正极扣式电池制备方法是：
[0029]以锌片为负极，以亲水碳材料为正极集流体，依次叠加负极电池壳、弹片、垫片、锌片、解耦凝胶电解质、正极集流体和正极电池壳，用液压机进行封装。
[0030]作为优选，S5中活性物质负载的条件：
[0031]进行在2.1
‑
2.3V电压下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无正极弱酸性水系锌锰电池的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：S1、制备弱酸性溶液：将适量酸溶于水中搅拌1
‑
5h，制备pH值为2
‑
3的弱酸性溶液；所述酸选自柠檬酸、浓硫酸、碳酸、盐酸、苹果酸、草酸或硝酸中的一种或几种；S2、电解液的制备：将丙烯酰胺、七水硫酸锌和硫酸锰加入S1制得的弱酸性溶液中混匀，再依次加入N
‑
N亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂，混匀得到弱酸性电解液；所述弱酸性电解液含有以下质量百分含量计的组分：丙烯酰胺15
‑
30％，七水硫酸锌25
‑
30％，硫酸锰5
‑
10％，N
‑
N亚甲基双丙烯酰胺0.05
‑
0.5％，光引发剂0.05
‑
0.5％，余量为弱酸性溶液，溶液pH值为3
‑
5；将丙烯酰胺和七水硫酸锌依次加入水中混匀，再依次加入N
‑
N亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂，混匀得到中性电解液；所述中性电解液含有以下质量百分含量计的组分：丙烯酰胺15
‑
30％，七水硫酸锌25
‑
30％，N
‑
N亚甲基双丙烯酰胺0.05
‑
0.5％，光引发剂0.05
‑
0.5％，余量为水；S3、解耦凝胶电解质的制备：将弱酸性电解液注入聚四氟乙烯模板中，用UV灯照射进行光引发反应，反应后得到弱酸性凝胶电解质，将中性电解液堆叠在弱酸性凝胶电解质表面，用UV灯照射进行光引发反应，反应后得到解耦凝胶电解质；S4、无正极扣式电池制备以S3制得的解耦凝胶电解质作为电池的电解质，封装，制备得到无正极的锌锰扣式电池，其中解耦凝胶电解质中弱酸性凝胶电解质侧与电池的正极集流体贴合，中性凝胶电解质与电池的负极贴合；S5、活性物质负载通过电化学工作站或蓝电电化学工作站将电池的电解质中的锰离子氧化为锰氧化物，制备得到无正极弱酸性水系锌锰电池。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡毅，许仕林，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：