阅读说明：本技术 一种可拉伸的柔性金属空气电池 (Stretchable flexible metal-air battery ) 是由 谈鹏 丁毓琪 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可拉伸的柔性金属空气电池。包括金属空气电池基体和伸缩管；金属空气电池基体呈弹簧状位于伸缩管内,金属空气电池基体的两端分别为负极集流体和正极集流体；金属空气电池基体包括锌金属丝,锌金属丝上由内至外包裹着凝胶电解质和柔性空气电极；将线状金属空气电池基体嵌入伸缩管内,伸缩管为电池提供支撑,管壁上的透气孔利于氧气的传输；而且,伸缩管保障了电池的延展性,可适用较大程度的拉伸。柔性金属空气电池的原始长度L为5～6cm,柔性金属空气电池的输出电压为1.25～1.28V,充电电压为1.98～2.01V；在拉伸过程中保持输出电压稳定,柔性金属空气电池的最大拉伸程度为125～200%。(The invention relates to a stretchable flexible metal-air battery. Comprises a metal-air battery matrix and a telescopic pipe; the metal-air battery matrix is positioned in the telescopic pipe in a spring shape, and a negative current collector and a positive current collector are respectively arranged at two ends of the metal-air battery matrix; the metal-air battery matrix comprises a zinc metal wire, and the zinc metal wire is wrapped with a gel electrolyte and a flexible air electrode from inside to outside; embedding a linear metal-air battery matrix into a telescopic pipe, wherein the telescopic pipe provides support for the battery, and air holes in the pipe wall are favorable for oxygen transmission; moreover, the extension tube ensures the ductility of the battery and is suitable for stretching to a greater degree. The original length L of the flexible metal-air battery is 5-6 cm, the output voltage of the flexible metal-air battery is 1.25-1.28V, and the charging voltage is 1.98-2.01V; the output voltage is kept stable in the stretching process, and the maximum stretching degree of the flexible metal-air battery is 125-200%.)

一种可拉伸的柔性金属空气电池

技术领域

本发明属于电池应用领域，具体涉及一种可拉伸的柔性金属空气电池，可为智能手表、运动手环等可穿戴电子设备提供电力供应。

背景技术

随着智能手表、运动手环等可穿戴电子设备的发展，具有可拉伸弯曲能力的柔性电源系统是保障其正常工作的关键。尽管柔性锂离子电池和超级电容器成为研究的热点，但有限的能量密度极大制约了电子设备的续航能力。金属空气采用金属和空气中的氧气作为活性物质，具有极高的能量密度，可为电子设备长时间连续功能。并且，其中锌空气电池的发展较为成熟，成本较低且安全环保。为了适应柔性电子设备的需求，近年来在柔性金属空气电池方面开展了一系列的研究，其结构大体可分为两类：

第一类为层状结构：采用负载在柔性集流体上的金属和活性物质作为金属电极和空气电极，中间以电解质膜相隔形成三明治结构（Nat. Commun., 2015, 6, 7892; Small2018, 14, 1800225）。

第二类为线状结构：采用金属丝作为金属电极，表面环绕一圈电解质膜，最后包裹负载活性物质的柔性集流体作为空气电极，形成线缆状结构（Adv. Mater., 2015, 27,1396; Small, 2016, 12, 3101）。

尽管上述两种电池结构通过采用柔性电解质膜和集流体赋予了电池较好的可弯曲性，但其拉伸性都较为有限。在线状结构中，通过采用金属锌弹簧作为金属电极，可以实现10%的拉伸（CN105244565）。在层状结构中，虽然通过将金属锂分解成小块由铜弹簧连接，将拉伸程度提升到100%（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 13419），但由于铜弹簧等结构的引入增加了电池的无效质量和体积，减小了实际能量密度。因此，为了满足可穿戴电子设备在使用中伴随着的弯曲和拉伸需求，急需开发高能量密度且可以实现较大拉伸的柔性金属空气电池。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可拉伸的柔性金属空气电池，以实现较大的拉伸和柔性的目标。

一种可拉伸的柔性金属空气电池包括金属空气电池基体23和伸缩管24；金属空气电池基体呈弹簧状位于伸缩管内，金属空气电池基体的两端分别为负极集流体21和正极集流体22，用以集电；

金属空气电池基体包括锌金属丝11，锌金属丝11上由内至外包裹着凝胶电解质12和柔性空气电极13；

柔性金属空气电池的原始长度L为5～6cm，所述金属空气电池基体的螺旋个数n为20～25，最大拉伸间距x为0.3～0.5cm；柔性金属空气电池的输出电压为1.25～1.28V，充电电压为1.98～2.01V；在拉伸过程中保持输出电压稳定，柔性金属空气电池的最大拉伸程度为nx/L×100%，即125～200%。

一种可拉伸的柔性金属空气电池的制备操作步骤如下：

（1）制备凝胶电解质

在80℃条件下，将1g的聚乙烯醇（PVA）溶解于8mL去离子水中，搅拌均匀加入2mL浓度为10～20M的氢氧化钾（KOH）水溶液，再持续搅拌1～2小时，得到凝胶电解质；

（2）制备柔性空气电极

将1～4mg四氧化三钴（Co₃O₄）纳米颗粒、0.5～2mg导电碳粉、0.5～2mg聚四氟乙烯粘结剂和0.5～1mL无水乙醇混合均匀成浆状，均匀刮涂在碳布上，在60℃条件下干燥12h；四氧化三钴（Co₃O₄）纳米颗粒作为活性物质，碳布上活性物质载量为1～4mg/cm²；得到柔性空气电极（13）；

（3）组装金属空气电池基体

（3.1）将锌金属丝放入PVA/KOH凝胶电解质中充分浸润1～2min，取出，使凝胶电解质均匀包覆锌金属丝，在-10℃环境中冰冻8小时，室温解冻以增强物理交联，凝胶电解质在锌金属丝上的层厚为0.5～1mm，得到组合件；

（3.2）将柔性空气电极均匀包裹在组合件上，得到锌空气电极基体；

（4）组装电池

（4.1）将锌空气电极基体绕制成弹簧状；

（4.2）在伸缩管24上均布开设透气孔；

（4.3）将弹簧状的锌空气电极基体嵌入伸缩管24内，锌空气电极基体的两端分别位于伸缩管24外，所述两端分别为负极集流体21和正极集流体22，得到柔性金属空气电池。

进一步限定的技术方案如下：

所述四氧化三钴（Co₃O₄）纳米颗粒的纯度为99.9%以上、平均粒径为10～50nm，作为活性物质。

所述锌金属丝为纯度99%、直径1～2mm的锌金属丝。

所述伸缩管24材料为聚氨酯（PU）或聚氯乙烯（PVC），管径为0.8～1cm。

所述透气孔的孔径为1～2mm，透气孔的面积之和为伸缩管（24）表面积的50%～70%。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.金属空气电池基体采用线状结构，可避免层状结构在弯曲中由于三层材料的力学性能不一发生的界面分离现象，更利于保持界面的稳定。伸缩管质轻，对电池总质量影响小，更利于获得高能量密度。将线状金属空气电池基体嵌入伸缩管弯曲处，伸缩管为电池提供支撑，管壁上的透气孔利于氧气的传输；而且，伸缩管保障了电池的延展性，可适用较大程度的拉伸。

2.金属电极采用金属锌，空气电极的活性物质采用四氧化三钴（Co₃O₄）纳米颗粒作为氧还原和氧析出催化剂，所组成的锌空气电池充放电反应如下：

输出电压可达1.2V以上，充电电压2.0V左右，可多次充放电使用。

3.柔性金属空气电池的原始长度L为5～6cm，最大拉伸程度为125～200%。输出电压为1.25～1.28V，充电电压为1.98～2.01V，并在拉伸过程中保持输出电压稳定。以上优势使得该发明可作为智能手表、运动手环等可穿戴柔性电子设备电源。

附图说明

图1为金属空气电池基体立体示意图。

图2为金属空气电池基体剖面图。

其中11-金属丝；12-凝胶电解质；13-柔性空气电极。

图3为可拉伸柔性金属空气电池原始状态示意图，长度为L，间隔个数为n。

图4为可拉伸柔性金属空气电池拉伸状态示意图，拉伸间距为x’。

图5为可拉伸柔性金属空气电池完全拉伸状态示意图，拉伸间距为x。

其中21-负极集流体；22-正极集流体；23-金属空气电池基体；24-伸缩管。可见电池的最大拉伸程度为nx/L×100%。

具体实施方式

下面结合附图，通过实例对本发明作进一步的描述。

实施例1

参见图1和图2，本发明的金属空气电池基体由锌金属丝11、凝胶电解质12和柔性空气电极13构成。

锌金属丝11纯度为99%，直径为2mm。

凝胶电解质12由聚乙烯醇（PVA）、氢氧化钾（KOH）和水组成：在80℃条件下将1g的PVA溶解于8mL去离子水中，搅拌均匀后加入2mL浓度为10M的KOH水溶液，再持续搅拌1小时，得到PVA/KOH凝胶电解质。将锌金属丝于PVA/KOH凝胶电解液中充分浸润1min后取出，使凝胶电解质均匀包覆锌金属丝，放入-10℃环境中冰冻8小时后室温解冻以增强物理交联，凝胶电解质在锌金属丝上的层厚为0.5mm。

柔性空气电极13由1mg纯度99.9%以上、平均粒径50nm的Co₃O₄纳米颗粒作为活性物质、0.5mg导电碳粉、0.5mg聚四氟乙烯粘结剂和0.5mL无水乙醇混合均匀成浆状，均匀刮涂在碳布上，在60℃条件下干燥12h；活性物质载量为1mg/cm²。

将柔性空气电极均匀包裹在凝胶电解质表面，组成锌空气电极基体。

参见图3至图5，伸缩管24为直径为1cm的聚氨酯（PU）伸缩管，在伸缩管管壁上的透气孔孔径为1mm；透气孔的面积之和占接触面的50%。

将锌空气电池基体23弯曲成螺旋状嵌入伸缩管中，其两端分别为负极集流体21和正极集流体22，用以集电。

由此组成了一种可拉伸的柔性锌空气电池。原始电池长度L为5cm，其中间隔个数n为20，最大拉伸间距x为0.5cm。电池的输出电压为1.25V，充电电压为2.01V；在拉伸过程中可以保持输出电压稳定，最大拉伸程度达到200%。

实施例2

参见图1和图2，本发明的金属空气电池基体由锌金属丝11、凝胶电解质12和柔性空气电极13构成。

锌金属丝11纯度为99%，直径为1mm。

凝胶电解质12由聚乙烯醇（PVA）、氢氧化钾（KOH）和水组成：在80℃条件下将1.0g的PVA溶解于8mL去离子水中，搅拌均匀后加入2mL浓度为20M的KOH水溶液，再持续搅拌1小时，得到PVA/KOH凝胶电解液。将锌金属丝于PVA/KOH凝胶电解质中充分浸润2min后取出，使凝胶电解质均匀包覆锌金属丝，放入-10℃环境中冰冻8小时后室温解冻以增强物理交联，凝胶电解质在锌金属丝上的层厚为1mm。

柔性空气电极13由4mg纯度99.9%以上、平均粒径10nm的Co₃O₄纳米颗粒作为活性物质、2mg导电碳粉、2mg聚四氟乙烯粘结剂和1mL无水乙醇混合均匀成浆状，均匀刮涂在碳布上，活性物质载量为4mg/cm²。

将柔性空气电极均匀包裹在凝胶电解质表面，组成锌空气电极基体。

参见图3至图5，伸缩管24为直径为0.8cm的聚氯乙烯（PVC）伸缩管，在伸缩管管壁上的透气孔孔径为2mm；透气孔的面积之和占接触面的70%。

将锌空气电池基体23弯曲成螺旋状嵌入伸缩管中，其两端分别为负极集流体21和正极集流体22，用以集电。

由此组成了一种可拉伸的柔性铝空气电池。原始电池长度L为6cm，其中间隔个数n为25，最大拉伸间距x为0.3cm。电池的输出电压为1.28V，充电电压为1.98V；在拉伸过程中可以保持输出电压稳定，最大拉伸程度达到125%。