【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于二次電池，具體是一種全固態空氣電池及其制備方法。
技術介紹
1、空氣電池是一種新型電池。空氣電池有著3500mwh/g的理論能量密度，遠超目前的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。
2、全固態空氣電池的原理是利用空氣中的氧與來自陽極的氫進行電化學反應產生電流。有兩類類似的電池：氫燃料電池和鋰(鋅)空電池。這兩類電池和全固態空氣電池并不相同。氫燃料電池，更像是發電廠，不能充電。鋰空電池，采用液態電解液，利用金屬和氧的電化學反應產生電流。專利cn105870449公開了一種固態鋰空電池，但是在產業化時，鋰與氧發生電化學反應會產生氧化鋰晶體，包覆在陰極材料外邊形成析晶，從而產生安全隱患，并且影響循環性能。因此，制備一種全新的空氣電池具有重要的意義。
技術實現思路
1、為解決上述問題，本專利技術的目的是提供一種全固態空氣電池及其制備方法。
2、本專利技術為實現上述目的，通過以下技術方案實現：
3、一種全固態空氣電池，包括外殼、陽極和陰極，所述陽極和陰極設置在外殼內；所述陽極和陰極之間設置有質子交換膜，并且陽極通過極耳和電線與陰極連接；所述陰極另一側連接氣體擴散層；
4、所述陽極由含有酚羥基或醌基結構的氧化還原聚合物材料制成；
5、所述陰極為鉑碳、鈀碳、負載含鉑合金或含鈀合金的多孔催化劑。
6、所述氣體擴散層為碳纖維布或金屬濾網。
7、所述外殼上設置有進氣口和出氣口。
8、所述質子交換膜為全氟
9、所述陽極按照如下方法制備得到：
10、1)將含酚羥基化合物與含醛化合物混合，再加入酸或堿催化劑，攪拌混合均勻，加熱至50～120℃反應0.5～20h，得到反應液；
11、2)將步驟1)制得的反應液加入多孔導電材料中，攪勻捏合，充分吸收、浸潤后，加熱至95～110℃固化，在130℃烘干，再粉碎至顆粒粒徑d50在2～20um，得到氧化還原聚合物材料；
12、3)將步驟2)得到的氧化還原聚合物材料、導電劑、粘合劑和水混合均勻后，攪拌10～24h后，涂敷在帶有極耳的銅箔或鋁箔上，干燥，得到陽極。
13、步驟1)中所述含酚羥基化合物與含醛化合物的摩爾比為1～2：1～3。
14、步驟1)中所述含酚羥基化合物為苯酚、對苯二酚、鄰苯二酚、間苯二酚、間苯三酚、1,2,4,5-苯四酚、水楊酸、沒食子酸、單寧酸、聯苯二酚、聯苯四酚、聯苯六酚、萘酚、萘二酚和萘四酚中的一種或兩種。
15、步驟1)中所述含醛化合物為甲醛、乙醛和多聚甲醛中的一種或兩種。
16、步驟1)中所述酸或堿催化劑的加入量為含酚羥基化合物與含醛化合物總質量的0.1～2倍。
17、步驟1)中所述酸為鹽酸、磷酸、硫酸和草酸中的一種或兩種；所述堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、碳酸鈉、氨水、烏洛托品、三甲胺和三乙胺中的一種或兩種。
18、步驟2)中所述反應液與多孔導電材料的體積質量比為0.2～1.5：1。
19、步驟2)中所述多孔導電材料為多孔碳或多孔合金。
20、步驟3)中所述氧化還原聚合物材料、導電劑、粘合劑和水的質量比為85～95：1～5：1～5：50～200。
21、步驟3)中所述導電劑為導電炭黑、導電石墨、石墨烯和碳納米管中的一種或兩種，所述粘合劑為羧甲基纖維素、丁苯橡膠、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈和聚丙烯酸中的一種或兩種。
22、所述的全固態空氣電池的制備方法，包括以下步驟：
23、將陽極、質子交換膜、陰極和氣體擴散層依次排列，壓緊后，放入外殼中，擰緊，得到全固態空氣電池。
24、本專利技術相比現有技術具有以下優點：
25、本專利技術首次創造了一種全固態空氣電池，與現有電池相比：(1)本專利技術采用了與氫燃料電池相似的構造，但陽極采用了氧化還原聚合物結構，通過陽極的得失氫離子實現充放電；而氫燃料電池不能充電；(2)相比鋰空或鋅空電池，解決了液態電解液安全性問題；(3)與目前大量研究的固態鋰電池相比，本專利技術陰極重量大幅降低，固態空氣電池采用空氣做陰極，陰極僅用少量催化劑即可，而鋰電池陰極重量占到電芯的60％左右，因此本專利技術制備的空氣電池能量密度更高。
26、本專利技術的全固態空氣電池中首次公開了氧化還原聚合陽極的制備工藝。陽極采用酚羥基-醌體系的氧化還原性聚合物活性物質，在充放電過程中，陽極在酚羥基與醌基之間通過得失氫離子實現轉換，本專利技術制備的氧化還原聚合物活性物質顆粒粒徑d50在2～20um之間，粒徑太大，影響倍率性能；粒徑太小，影響首效。放電時，酚羥基失去氫離子形成苯醌結構，氫離子通過質子交換膜轉移至陰極，在過渡金屬催化劑作用下，與空氣中的氧發生電化學反應產生電流；充電時，濕空氣中的水分子在過渡金屬催化劑作用下，產生氫離子，在電場下通過質子交換膜遷移陽極，陽極的苯醌結構轉換成酚羥基結構，進行儲電。
27、本專利技術的全固態空氣電池，與現有市場上常見的鋰電池或鉛酸電池相比，有更高的能量密度；制得的全固態空氣電池，能量密度超過800mwh/g；循環充放電500周，容量保持率大于85％；而且，電池使用時，安全環保，可應用于儲能、電動汽車和電動船舶等。
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1.一種全固態空氣電池，包括外殼、陽極和陰極，其特征在于：所述陽極和陰極設置在外殼內；所述陽極和陰極之間設置有質子交換膜，并且陽極通過極耳和電線與陰極連接；所述陰極另一側連接氣體擴散層；
2.如權利要求1所述的全固態空氣電池，其特征在于：所述氣體擴散層為碳纖維布或金屬濾網；所述外殼上設置有進氣口和出氣口；所述質子交換膜為全氟磺酸質子交換膜。
3.如權利要求1所述的全固態空氣電池，其特征在于：所述陽極按照如下方法制備得到：
4.如權利要求3所述的全固態空氣電池，其特征在于：步驟1)中所述含酚羥基化合物與含醛化合物的摩爾比為1～2：1～3。
5.如權利要求3所述的全固態空氣電池，其特征在于：步驟1)中所述含酚羥基化合物為苯酚、對苯二酚、鄰苯二酚、間苯二酚、間苯三酚、1,2,4,5-苯四酚、水楊酸、沒食子酸、單寧酸、聯苯二酚、聯苯四酚、聯苯六酚、萘酚、萘二酚和萘四酚中的一種或兩種；步驟1)中所述含醛化合物為甲醛、乙醛和多聚甲醛中的一種或兩種；步驟1)中所述酸為鹽酸、磷酸、硫酸和草酸中的一種或兩種；所述堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、碳酸
6.如權利要求3所述的全固態空氣電池，其特征在于：步驟1)中所述酸或堿催化劑的加入量為含酚羥基化合物與含醛化合物總質量的0.1～2倍。
7.如權利要求3所述的全固態空氣電池，其特征在于：步驟2)中所述反應液與多孔導電材料的體積質量比為0.2～1.5：1；步驟2)中所述多孔導電材料為多孔碳或多孔合金。
8.如權利要求3所述的全固態空氣電池，其特征在于：步驟3)中所述氧化還原聚合物材料、導電劑、粘合劑和水的質量比為85～95：1～5：1～5：50～200。
9.如權利要求3所述的全固態空氣電池，其特征在于：步驟3)中所述導電劑為導電炭黑、導電石墨、石墨烯和碳納米管中的一種或兩種，所述粘合劑為羧甲基纖維素、丁苯橡膠、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈和聚丙烯酸中的一種或兩種。
10.權利要求1所述的全固態空氣電池的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種全固態空氣電池，包括外殼、陽極和陰極，其特征在于：所述陽極和陰極設置在外殼內；所述陽極和陰極之間設置有質子交換膜，并且陽極通過極耳和電線與陰極連接；所述陰極另一側連接氣體擴散層；
2.如權利要求1所述的全固態空氣電池，其特征在于：所述氣體擴散層為碳纖維布或金屬濾網；所述外殼上設置有進氣口和出氣口；所述質子交換膜為全氟磺酸質子交換膜。
3.如權利要求1所述的全固態空氣電池，其特征在于：所述陽極按照如下方法制備得到：
4.如權利要求3所述的全固態空氣電池，其特征在于：步驟1)中所述含酚羥基化合物與含醛化合物的摩爾比為1～2：1～3。
5.如權利要求3所述的全固態空氣電池，其特征在于：步驟1)中所述含酚羥基化合物為苯酚、對苯二酚、鄰苯二酚、間苯二酚、間苯三酚、1,2,4,5-苯四酚、水楊酸、沒食子酸、單寧酸、聯苯二酚、聯苯四酚、聯苯六酚、萘酚、萘二酚和萘四酚中的一種或兩種；步驟1)中所述含醛化合物為甲醛、乙醛和多聚甲醛中的一種或兩種；步驟1)中所述酸為鹽酸、磷酸、硫酸和草...
【專利技術屬性】
技術研發人員：林炳旺，
申請(專利權)人：山東森久生物材料有限公司，
類型：發明
國別省市：
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