一种基于过氧化锌正极的非碱性锌空气电池

技术领域

本发明涉及一种基于过氧化锌正极的非碱性锌空气电池，属于电池技术领域。

背景技术

世界能源的发展面临化石燃料资源短缺和传统能源利用方式引发的气候、环境危机，发展化石能源高效清洁利用技术、开发可再生能源是解决能源问题的根本途径，其中电化学能源技术将发挥重要作用。锂离子电池体系是电化学能源技术的重要代表，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车以及小型电网储能等场景。然而，随着兆瓦时级、吉瓦时级的规模化储能技术的推广应用，对锂的需求量将大幅攀升，锂离子电池发展存在原材料资源危机。因此，研发原材料资源丰富的新型二次电池技术，是当前社会经济发展的重大需求。

锌空气电池，通常由锌金属负极、碱性电解液以及空气正极组成，具有电极、电解液原材料资源丰富且均不易燃的安全特性，还兼具较高的理论能量密度(1353Wh/kg)，是一种非常具有潜力满足电化学储能需求的电池技术。然而，目前碱性锌空电池在应用中依然面临严重的问题，如循环稳定性差、能量转换效率低以及功率密度低等。

碱性空气电池的结构如图23所示，上述问题的主要原因在于其中广泛使用的碱性电解液：(1)锌金属负极侧在放电充电循环过程中易生成氧化锌副产物，该副产物导电性差且附着在锌负极表面，导致了锌负极侧电化学可逆性差、有效利用率低；(2)正极侧的反应为氧气的四电子反应，该反应涉及过程复杂的多步电子转移，存在可逆性差、过电位高、动力学慢等问题，通常需要在正极侧负载结构复杂、价格昂贵的催化剂；(3)碱性电解液易与空气中的二氧化碳发生副反应，生成的碳酸盐(如K

现有技术Science杂志第371期46至51页报道了通过使用浓度为1mol/L，2mol/L，3mol/L的Zn(CF

如上所述，常见的碱性锌空气电池存在由强腐蚀性高浓碱性电解液带来的电化学不可逆、化学稳定性差的问题，现有的使用1mol/L，2mol/L，3mol/L的Zn(CF

发明内容

本发明针对现有锌空电池技术存在的问题，提供一种基于过氧化锌正极的非碱性锌空气电池。

如说明书附图1所示，本发明技术方案为：一种基于过氧化锌正极的非碱性锌空气电池，从负极到正极依次为金属锌负极、非碱性电解液、过氧化锌正极；所述过氧化锌正极依次包括过氧化锌和导电层以及透气集流体。

所述金属锌负极为锌箔或锌粉组成；所述锌箔厚度为20至1000微米，优选为50微米。所述锌粉电极由锌粉和粘结剂组成，锌粉粒径为0.02至200微米，优选为0.05微米，粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)，优选为PTFE。

所述非碱性电解液由无机锌盐水溶液组成，无机锌盐为Zn[N(CF

进一步地，所述非碱性电解液的1

所述过氧化锌可以由放电过程原位电化学反应生成，将上述金属锌负极、非碱性电解液和覆有导电层的透气集流体组装为非碱性锌空气电池。其中，覆有导电层的透气集流体，由导电剂、粘结剂均匀混合并涂覆于透气集流体制得。

进一步地，所述导电剂包括炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，优选为炭黑；粘结剂包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、Nafion溶液中的一种或多种，优选为PTFE。透气集流体层为碳纸、碳布、不锈钢网、金属网、泡沫金属中的一种或多种，优选为碳纸。

所述原位生成过氧化锌的非碱性锌空电池的放电条件包括电流密度为0.01～30mA/cm

所述过氧化锌可以由化学反应合成，将含二价锌离子盐水溶液与双氧水混合搅拌均匀后并加热，最终静置所得沉淀产物即为过氧化锌。二价锌离子盐水溶液可以选用无机锌盐为Zn[N(CF

将上述化学合成的过氧化锌与导电剂、粘结剂均匀混合并涂覆于透气集流体即制得过氧化锌正极。所述导电剂包括炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，优选为炭黑；粘结剂包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、Nafion溶液中的一种或多种，优选为PTFE。透气集流体层为碳纸、碳布、不锈钢网、金属网、泡沫金属中的一种或多种，优选为碳纸。

进一步地，将化学合成的过氧化锌正极与上述金属锌负极和非碱性电解液组装，即可制得基于过氧化锌正极的非碱性锌空气电池。

本发明提供的基于过氧化锌正极的非碱性锌空气电池，具有以下优点和特性：

(1)所述过氧化锌正极具有更好的电化学可逆性，因此电池兼具较小电流密度和较大电流密度放电的倍率性能、较长的充放电时间、较多的充放电次数以及较高的能量效率；

(2)使用化学合成过氧化锌正极，可以无需额外供氧，能够实现密闭运行，减少开放电池体系中电解液水溶剂蒸发带来的不利影响；

(3)非碱性电解液大幅提高了锌负极的电化学可逆性，因此电池具有更高的循环稳定性；

(4)非碱性电解液不与空气中的二氧化碳反应，无需额外的去除二氧化碳装置，可以在空气中稳定运行；

(5)电池组件的耐腐蚀性要求低，易于低成本的规模生产与应用。

附图说明

图1为根据本发明的非碱性锌空气电池结构示意图。

图2为根据本发明的过氧化锌正极结构示意图。

图3为根据本发明实施例1的基于过氧化锌正极的非碱性锌空电池与对比例传统碱性锌空电池的充放电循环性能图。

图4为根据本发明实施例2的充放电循环性能图。

图5为根据本发明实施例3的充放电循环性能图。

图6为根据本发明实施例4的充放电循环性能图。

图7为根据本发明实施例5的充放电循环性能图。

图8为根据本发明实施例6的充放电循环性能图。

图9为根据本发明实施例7的充放电循环性能图。

图10为根据本发明实施例8的充放电循环性能图。

图11为根据本发明实施例9的充放电循环性能图。

图12为根据本发明实施例10的充放电循环性能图。

图13为根据本发明实施例11的充放电循环性能图。

图14为根据本发明实施例12的充放电循环性能图。

图15为根据本发明实施例13的充放电循环性能图。

图16为根据本发明实施例14的充放电循环性能图。

图17为根据本发明实施例15的充放电循环性能图。

图18为根据本发明实施例16的充放电循环性能图。

图19为根据本发明实施例17的充放电循环性能图。

图20为根据本发明实施例18的充放电循环性能图。

图21为根据本发明实施例19的充放电循环性能图。

图22为根据本发明实施例20的充放电循环性能图。

图23为传统碱性锌空气电池结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：将导电剂炭黑与粘结剂PTFE充分混合，并均匀涂覆在透气集流体碳纸上，制得覆有导电层的正极。将一定质量的无机锌盐Zn[N(CF

实施例2：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为0.1mol/L的Zn[N(CF

实施例3：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为4mol/L的Zn[N(CF

实施例4：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的循环放电、充电电流密度为30mA/cm

实施例5：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.4mol/L的Zn(CF

实施例6：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的Zn(CF

实施例7：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.6mol/L的Zn(CF

实施例8：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的Zn(CF

实施例9：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的Zn(PF

实施例10：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的Zn(BF)

实施例11：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的Zn(NO

实施例12：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的Zn(CH

实施例13：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的Zn(ClO

实施例14：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的ZnCl

实施例15：本实施例与实施例1的区别在于，所采用的电解液为1.5mol/L的ZnBr

上述非碱性锌空气电池的过氧化锌正极也可以由化学反应制得，如下述实施例16-24。

实施例16：将一定质量的无机锌盐Zn(CH

实施例17：本实施例与实施例8的区别在于，非碱性电解液为1.5mol/L Zn(CF

实施例18：本实施例与实施例8的区别在于，非碱性电解液为1.5mol/L Zn(ClO

实施例19：本实施例与实施例8的区别在于，化学反应制备过氧化锌的反应物无机锌盐Zn(CH

实施例20：本实施例与实施例8的区别在于，化学反应制备过氧化锌的反应物无机锌盐Zn(CH

实施例21：本实施例与实施例8的区别在于，化学反应制备过氧化锌的反应物无机锌盐Zn(OTF)

实施例22：本实施例与实施例8的区别在于，化学反应制备过氧化锌的反应物无机锌盐Zn(BF

实施例23：本实施例与实施例8的区别在于，化学反应制备过氧化锌的反应物无机锌盐Zn(CF

实施例24：本实施例与实施例8的区别在于，化学反应制备过氧化锌的反应物无机锌盐Zn[N(CF

对比例25：本对比例与实施例1区别在于，所采用的电解液为碱性电解液6.0mol/LKOH水溶液。所制得的碱性锌空气电池在空气中仅循环运行20小时后即失效。其循环性能如说明书附图3所示。通过对比例与实施例1的循环性能比较可知，相比碱性锌空气电池，基于过氧化锌的非碱性锌空气电池具备循环性能稳定的明显优势。