一种准固态硅空气电池及其制备方法

本发明属于空气电池，具体涉及一种准固态硅空气电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着化石燃料的快速耗尽和由此带来日益严重的环境问题，人们对可持续能源的存储和转换设备的需求日益紧迫。全球气候变暖和严重的环境污染加速了可再生清洁能源系统的发展。空气电池(锂氧、锌空、铁空等)以其高能量密度、低成本和环保特性而备受关注。这种电池利用大气中的氧气作为活性气体阴极，在理论上具有极高的能量密度，因此被视为取代锂离子电池的主流选择。硅空气电池具有8470wh kg-1的理论能量密度，接近于锂空气电池(13000wh kg-1)，此外，硅是地壳中第二丰富的元素，约占地壳质量的27.7％，成本较低。然而，硅在碱性水系电解液中存在漏液和自腐蚀严重等问题，导致安全性和能量密度较低以及较窄的应用场景，尤其无法满足便携式电子设备的需求。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种准固态硅空气电池及其制备方法。本发明采用的准固态硅空气电池完全满足轻便、体积小巧等适合移动设备和便携式电子产品的应用要求。另外，本发明所述的凝胶电解质存在大量羧基与电解质中的自由水形成氢键，能够抑制硅的自腐蚀反应，提高了硅空气电池的比容量和能量密度。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种准固态硅空气电池的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将硅片超声清洗后，放入h2so4溶液或h2so4和h2o2混合溶液中清洗，随后放入氢氟酸溶液清洗，得到硅阳极；

5、(2)将pt/c催化剂与异丙醇、萘酚混合后，涂敷在导电复合基底表面得到阴极；

6、(3)将凝胶聚合物放置在1～12m koh溶液中浸泡至饱和状态得到凝胶电解质；

7、(4)按照导电体、硅阳极、凝胶电解质、阴极顺序依次叠放组装，然后用包装材料包裹，构建准固态硅空气电池；

8、所述凝胶聚合物的制备方法包括：将丙烯酸分5次与koh溶液混合，然后加入丙烯酰胺、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵在室温搅拌，最后在水浴中加热，得到凝胶聚合物；

9、或所述凝胶聚合物的制备方法包括：将naoh水溶液在冰浴中加入丙烯酸搅拌；然后加入过硫酸铵和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺搅拌；随后加入聚氧化乙烯水溶液搅拌，最后在水浴中反应，即可得到凝胶聚合物。

10、作为本发明的优选实施方案，所述步骤(1)具体为：将硅片分别在甲醇乙醇溶液中超声1～10min后，放入h2so4溶液或食人鱼溶液中浸泡1～10h，随后放入氢氟酸溶液1～10min，最后在甲醇乙醇溶液中超声1～10min，得到硅阳极。

11、作为本发明的优选实施方案，所述pt/c催化剂质量与异丙醇、萘酚体积的比值为1mg：100μl：100μl。

12、作为本发明的优选实施方案，所述导电复合基底由防水碳布、泡沫镍、ptfe防水层和碳纸辊压而成。

13、作为本发明的优选实施方案，所述丙烯酸体积与丙烯酰胺质量比为10ml：1g。

14、作为本发明的优选实施方案，所述naoh和聚氧化乙烯的质量比为2：0.075。

15、作为本发明的优选实施方案，所述包装材料为无纺布；所述导电体为铜网等。

16、本发明还要求保护所述准固态硅空气电池的制备方法制备的准固态空气电池。

17、所述准固态硅空气电池包括电池单元和包裹电池单元的包装材料，电池单元包括依次叠放组装导电体、硅阳极、凝胶电解质和阴极。

18、所述准固态硅空气电池包括至少一个电池单元和包裹所有电池单元的包装材料，电池单元串联组装、固定在包装材料外部。

19、所述准固态硅空气电池的制备方法用于锗空气电池、铝空气电池、锌空气电池、铁空气电池或镁空气电池的制备。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

21、(1)本发明将包装材料、导电体、硅阳极、凝胶电解质和阴极进行组装构筑准固态硅空气电池，由此方式构筑的准固态硅空气电池，各部件之间良好协同作用，准固态硅空气电池具有较高的比容量和能量密度。

22、(2)由于阴极反应需要与空气中的氧气接触，本发明采用无纺布包装材料封装，提高了电池的寿命。

23、(3)本发明所述准固态硅空气电池制备简单、成本较低，且一个硅空气电池即可点亮数字电子表头。

24、(4)本发明所述准固态硅空气电池将阳极的利用率提高了2倍。同时表现出147ahkg-1的总容量，比水系硅空气电池的比容量提高了179％。

技术特征：

1.一种准固态硅空气电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述准固态硅空气电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：将硅片分别放在甲醇和乙醇溶液中超声1～10min后，放入h2so4溶液或食人鱼溶液中浸泡1～10h，随后放入氢氟酸溶液1～10min，最后在甲醇乙醇溶液中超声1～10min，得到硅阳极。

3.如权利要求1所述准固态硅空气电池的制备方法，其特征在于，所述pt/c催化剂的质量与异丙醇、萘酚体积的比值为1mg：100μl：100μl。

4.权利要求1-3任一项所述准固态硅空气电池的制备方法制备的准固态空气电池。

5.如权利要求4所述准固态硅空气电池，其特征在于，包括电池单元和包裹电池单元的包装材料，电池单元包括依次叠放组装的导电体、硅阳极、凝胶电解质和阴极；电池单元的数量为至少一个，电池单元串联连接。

6.如权利要求4所述准固态硅空气电池，其特征在于：所述准固态硅空气电池的制备方法用于锗空气电池、铝空气电池、锌空气电池、铁空气电池或镁空气电池的制备。

技术总结本发明公开一种准固态硅空气电池及其制备方法，属于空气电池技术领域。本发明按照导电体、硅阳极、凝胶电解质、阴极顺序依次叠放组装，然后用包装材料包裹，构建准固态硅空气电池；采用凝胶电解质可以有效地防止电解液漏液的问题；且凝胶电解质流动性弱，可以防止电池内正负极接触而短路的问题。本发明将包装材料、导电体、硅阳极、凝胶电解质和阴极进行组装，由此方式构筑的准固态硅‑空气电池具有比传统水系构型的硅空气电池更高的比容量和能量密度。技术研发人员：胡素娟,胡广志,朱明山,王宝玲,晏榕受保护的技术使用者：昆明学院技术研发日：技术公布日：2024/7/29