阅读说明：本技术 一种基于pva/kc-koh复合凝胶电解质的柔性铝空气电池 (Flexible aluminum air battery based on PVA/KC-KOH composite gel electrolyte ) 是由 陈黎 孙雪艳 王成骅 于思乐 赵炜 陈曦 于 2021-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池,该柔性铝空气电池从上至下依次由集流体、铝箔金属阳极、PVA/KC-KOH复合凝胶电解质、复合催化剂空气阴极、集流体层叠而成；本发明创造性的将к-卡拉胶应用到电池电解质中,具有大范围可调的固液比例,可以抑制开放性铝空气电池的漏液问题；并且PVA/KC-KOH复合凝胶电解质解决了传统铝空气电池结构在柔性方面的限制,因而,本发明可制备超薄柔性、高导电率的铝空气电池。(The invention discloses a flexible aluminum-air battery based on a PVA/KC-KOH composite gel electrolyte, which is formed by sequentially laminating a current collector, an aluminum foil metal anode, a PVA/KC-KOH composite gel electrolyte, a composite catalyst air cathode and a current collector from top to bottom; the kappa-carrageenan is creatively applied to the battery electrolyte, has a large-range adjustable solid-liquid ratio, and can inhibit the leakage problem of the open aluminum-air battery; and the PVA/KC-KOH composite gel electrolyte solves the limitation of the traditional aluminum-air battery structure in the aspect of flexibility, so that the ultrathin flexible high-conductivity aluminum-air battery can be prepared by the method.)

一种基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池

技术领域

本发明涉及铝空气电池领域，具体涉及一种基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池。

背景技术

电子设备的飞速发展对储能设备提出了更高性能的要求，金属-空气电池由于其高的理论能量密度，成为近年来研究人员所关注的热点。铝-空气电池因其高比能量、低成本、高可回收性和环境效益而成为一种有前途的安全电源。有望在下一代电子设备的发展中大展身手，如电动汽车、可穿戴便携式电子产品等。但是储能设备的要求是重量轻、灵活性高、安全性高。然而，传统的电解液铝-空气电池质量高、封装困难、不易弯曲等缺点限制了其在便携式、柔性电子产品中的应用。

近年来，开发高性能柔性能量存储和转换装置已经取得了相当不错的进展，但仍然存在许多技术挑战，对于柔性电子器件的应用，重复性外力下的稳定电化学性能对于柔性金属空气电池是至关重要的。许多工作仍致力于探索有效电极/电解质材料以及更优选的电池结构，从而开发出具有更好的电化学性能的柔性电源来用于柔性电子产品。

发明内容

针对现有技术的局限，本发明提出一种基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池，可实现全固态铝空气电池，从根本上解决了传统的电解液铝-空气电池质量高、封装困难、不易弯曲、电解液泄露易燃等缺点。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池，所述的柔性铝空气电池从上至下依次由集流体1、铝箔金属阳极2、PVA/KC-KOH复合凝胶电解质3、复合催化剂空气阴极4、集流体1层叠而成。

所述的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质3的制备方法包括以下几个步骤：

将к-卡拉胶即KC与PVA溶解在水溶液中，搅拌同时加热至90～98℃，当混合均匀后，倒入成膜模具中；将成膜模具放入冷冻环境中，PVA通过冻融循环形成第一个网络，获得厚度为0.5-1毫米厚度均匀的凝胶膜；再将凝胶膜泡入氢氧化钾溶液中，浸泡一定时间，KC通过K⁺交联形成第二个网络，即可获得所需的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质。

所述的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质，其中PVA：KC的质量比为10:1～8:1。

所述的冷冻温度为-18℃～-30℃，室温解冻；

所述的氢氧化钾溶液，浓度为1mol/L～3mol/L。

所述的集流体1为镍网材料制成。

所述的复合催化剂空气阴极4其复合催化剂由掺硫石墨烯、二氧化锰和导电炭黑组成，其中掺硫石墨烯占复合催化剂的质量分数为5％～15％，二氧化锰占复合催化剂的质量分数为10％～30％，导电炭黑复合催化剂的质量分数为55％～85％。

所述的铝箔金属阳极2由铝、镁、镓和铟组成，其中铝占铝箔材料质量分数的98％。

由于以上技术方案实施，本发明与现有技术相比具有如下优点。

1、本发明采用PVA/KC-KOH复合凝胶电解质代替液体电解质和隔膜，避免电解液泄露易燃，使铝空气电池重量轻、易于包装并且灵活性强。

2、本发明PVA/KC-KOH复合凝胶电解质用于铝空气电池中时，可以稳定铝金属阳极与电解质界面的反应物沉积，从而抑制铝在碱性电解质中的自腐蚀现象。

3、本发明一种基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池，解决了传统刚性结构功能设备无法满足下一代柔性可穿戴电子器件供能的实际需求。

4、PVA与KC的成本低廉，且PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的制作方法简单，所需设备要求低，可以实现大规模工业化制备。

附图说明

图1是本发明的电池结构图。

图2为本发明基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池在90°，不同电流密度下的有效电压和功率密度图。

图3为本发明基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池在90°下的放电性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池，所述的柔性铝空气电池从上至下依次由集流体1、铝箔金属阳极2、PVA/KC-KOH复合凝胶电解质3、复合催化剂空气阴极4、集流体1层叠而成。

作为本发明的优选实施方式，所述的集流体1为镍网材料制成。

作为本发明的优选实施方式，所述的铝箔金属阳极2由铝、镁、镓和铟组成，其中铝占铝箔材料质量分数的98％。

所述的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质3的制备方法如下：

将к-卡拉胶即KC与PVA溶解在水溶液中，搅拌同时加热至90～98℃，当混合均匀后，倒入成膜模具中；将成膜模具放入冷冻环境中，PVA通过冻融循环形成第一个网络，获得厚度为0.5-1毫米厚度均匀的凝胶膜；再将凝胶膜泡入氢氧化钾溶液中，浸泡一定时间，KC通过K⁺交联形成第二个网络，即获得所需的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质。

作为本发明的优选实施方式，所述的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质，其中PVA：KC的质量比为10:1～8:1，更优选的PVA：KC的质量比为9:1。

作为本发明的优选实施方式，所述的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质，加热温度为90～98℃，更优选温度为95℃。

作为本发明的优选实施方式，所述的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质，冷冻温度为-18℃～-30℃，更优选温度为-20℃。

作为本发明的优选实施方式，所述的PVA/KC-KOH复合凝胶电解质，氢氧化钾溶液浓度为1mol/L～3mol/L，更优选为2mol/L。

作为本发明的优选实施方式，所述的复合催化剂空气阴极4其复合催化剂由掺硫石墨烯、二氧化锰和导电炭黑组成，其中掺硫石墨烯占复合催化剂的质量分数为5％～15％，二氧化锰占复合催化剂的质量分数为10％～30％，导电炭黑复合催化剂的质量分数为55％～85％，更优选为掺硫石墨烯含量为5％，二氧化锰含量为15％，导电炭黑含量为80％。

具体组装方式参见图1所示。

将制备完成的基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池在弯曲90°下进行放电测试，其不同电流密度下的有效电压和功率密度如图2所示，电池的功率密度最大可达18Mw/cm^-2,本发明所述的柔性铝空气电池具有较高的有效工作电压和功率密度。

如图3所示，为本发明基于PVA/KC-KOH复合凝胶电解质的柔性铝空气电池在90°下的放电性能图。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此技术的人士能够了解到本发明的内容并加以修改，并不能以此限制本发明的保护内容，凡根据本发明的精神实质所做的等效变化或修改，都应涵盖在本发明的保护范围内。