阅读说明：本技术 一种凝胶基纽扣式锌-空气电池 (Gel-based button type zinc-air battery ) 是由 王克亮 张鹏飞 魏满晖 左亚宇 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种凝胶基纽扣式锌-空气电池。将丙烯酰胺单体、醚类聚合物以及氧化石墨烯以一定的比例均匀混合,在恒温箱中聚合制备成凝胶状物质；将强碱性固体颗粒溶解在适量的去离子水中配置强碱性电解液。将聚合形成的凝胶聚合物在强碱性电解液中浸泡获得凝胶聚合物电解质。将锌箔、凝胶聚合物电解质和空气电极组装成三层结构,然后封装于金属外壳中组装成纽扣式锌-空气电池。通过在丙烯酰胺中加入醚类聚合物和氧化石墨烯,优化了凝胶电解质的性能；此外凝胶电解质的使用改善了传统纽扣电池电解质泄露以及金属外壳易腐蚀的弊端,提高了电池的充放电性能和循环稳定性。本发明结构简单,制备方便,在纽扣电池领域很有发展潜力。(The invention discloses a gel-based button type zinc-air battery. Uniformly mixing an acrylamide monomer, an ether polymer and graphene oxide according to a certain proportion, and polymerizing in a thermostat to prepare a gel substance; and dissolving the strong-alkaline solid particles in a proper amount of deionized water to prepare strong-alkaline electrolyte. And soaking the gel polymer formed by polymerization in a strong alkaline electrolyte to obtain the gel polymer electrolyte. The zinc foil, the gel polymer electrolyte and the air electrode are assembled into a three-layer structure, and then the three-layer structure is packaged in a metal shell to assemble the button type zinc-air battery. The performance of the gel electrolyte is optimized by adding the ether polymer and the graphene oxide into the acrylamide; in addition, the defects of electrolyte leakage and easy corrosion of a metal shell of the traditional button cell are overcome by using the gel electrolyte, and the charge and discharge performance and the cycling stability of the cell are improved. The button cell is simple in structure, convenient to prepare and very high in development potential in the field of button cells.)

一种凝胶基纽扣式锌-空气电池

技术领域

本发明属于金属-空气电池能源利用领域，具体涉及到一种凝胶基纽扣式锌-空气电池。

背景技术

国家的发展和社会的进步对全球能源的要求产生了新的挑战，能源需求量上涨，化石能源枯竭，世界污染加剧，在这样的背景下，国家实行节约资源保护环境的国策，能源的转型与创新成为新的发展方向，开发绿色环保可持续的清洁能源成为新的趋势，带动了电池储能技术的发展。

传统电池虽然技术比较成熟，但是成本较高、特别是有非常严重的污染问题，不符合当今时代节能减排的发展要求，所以注定要走一条由传统电池过渡到新能源环保电池的道路。金属-空气电池是如今十分热门的研究领域，它是一种特殊类型的燃料电池，是新一代绿色电池中最具特色的代表之一。金属-空气电池不仅具有成本低、无毒、环保的优点，而且具有较高的理论比能量和比功率，是一种高性能的新兴绿色电池系统，未来具有很大的发展潜力和应用前景。

纽扣式锌-空气电池不仅体积小、质量轻，而且小电流放电时性能平稳，具有较长的运行寿命，可以满足小型电流和小功率用电设备的需求。但是该类型电池的发展仍有如下不足之处：

(1)传统的纽扣式锌-空气电池是不具备充电性能的一次性电池，内部的电解质材料通常是高浓度的强碱性混合液，具有很强的腐蚀性。

(2)存在电解质漏液的风险，一旦电解质发生泄漏，就会迅速腐蚀电池部件，造成不可修复的损伤，导致电池性能急剧恶化甚至失效。

上述因素极大地限制了纽扣式锌-空气电池的发展和实际应用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种凝胶基纽扣式锌-空气电池，避免了电解质泄露和金属外壳易腐蚀的弊端，同时改善纽扣式锌-空气电池的结构和性能。

为实现本发明的目的，提供下述技术方案。

一种凝胶基纽扣式锌-空气电池，其步骤如下：

1)将一定的氧化石墨烯溶液滴加到去离子水中，并用搅拌器搅拌均匀，制备氧化石墨烯水溶液；

2)将适量的三嵌段醚类聚合物颗粒加到氧化石墨烯的水溶液中，然后在搅拌器的作用下使其完全溶解；

3)在步骤2)制备的溶液中加入丙烯酰胺单体搅拌至完全溶解，之后以过硫酸铵为引发剂，再加入亚甲基双丙烯酰胺，制备均匀的混合液；

4)将步骤3)制备的混合液倒入模具中，然后放入恒温箱中聚合得到凝胶聚合物；

5)称取一定质量的强碱性固体颗粒和含锌化合物，溶解于适量的去离子水中，制成氢氧根浓度为6mol/L、锌离子浓度为0.5mol/L的碱性溶液；

6)将获得的凝胶聚合物在氢氧根浓度为6mol/L、锌离子浓度为0.5mol/L的碱性溶液中浸泡制备凝胶聚合物电解质；

7)制备锌电极：将锌箔裁剪成圆片状结构，并用砂纸将表面打磨光滑；

8)制备空气电极：选取非贵金属催化剂的空气电极，裁剪成圆片状结构；

9)将浸泡法制备的凝胶聚合物电解质裁剪成与锌电极和空气电池相同尺寸的圆片状；

10)将凝胶聚合物电解质夹在锌电极和空气电极之间组装成夹层型结构，并封装于金属外壳中，制成纽扣式锌-空气电池。

在制备凝胶聚合物的过程中，恒温箱中聚合的温度为50℃，聚合时间为4h。

强碱性固态电解质包括氢氧化钾、氢氧化钠等强碱性电解质中的一种。

电解液是氢氧根浓度为6mol/L、锌离子浓度为0.5mol/L的强碱性溶液。

锌电极、凝胶聚合物电解质、空气电极以及金属外壳的尺寸要互相匹配，保证夹层型电池能封装于金属外壳内。

根据锌-空气电池的工作特征，纽扣外壳的下壳必须要有若干透气孔。

在电池封装过程中，空气电极必须置于金属外壳有透气孔的一侧，以保障电池的正常运行。

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

(1)本发明使锌-空气电池具备了可以进行连续充放电的能力，实现了循环使用。

(2)本发明以凝胶聚合物作为纽扣式锌-空气电池的电解质，在一定程度上有效解决了电解质漏液等问题，改善了电池性能。

(3)本发明的凝胶聚合物电解质不仅表现出优异的电化学特性，而且还有良好的环境适应性。

附图说明

图1为本发明的凝胶基纽扣式锌-空气电池的剖面图。

图2为本发明的凝胶基纽扣式锌-空气电池的结构组成图。

图3为本发明的凝胶基纽扣式锌-空气电池的充放电循环曲线。

图中：1.纽扣电池上盖、2.锌箔、3.凝胶聚合物电解质、4.催化层、5.空气电极、6.纽扣电池下壳、7.纽扣电池上盖、8.锌箔、9.凝胶聚合物电解质、10.负载催化剂的空气电极、11.纽扣电池下壳、12.气孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1、图2、图3所示，图1是本发明的凝胶基纽扣式锌-空气电池的剖面图；图2是本发明的凝胶基纽扣式锌-空气电池的结构组成图；图3是本发明的凝胶基纽扣式锌-空气电池的充放电循环曲线。

如图1所示，一种凝胶基纽扣式锌-空气电池的剖面图，其结构特点是：锌箔、凝胶聚合物电解质和空气电极依次叠加组合成紧密接触的夹层型结构，纽扣外壳包裹在外部。

如图2所示，一种凝胶基纽扣式锌-空气电池结构组成图，其结构特点包括：纽扣电池上盖、锌箔、凝胶聚合物电解质、非贵金属催化剂的空气电极以及带有透气孔的纽扣电池下壳。

如图3所示，一种凝胶基纽扣式锌-空气电池的充放电循环曲线。本发明的凝胶基纽扣式锌-空气电池在充放电过程中表现出良好的循环稳定性。

本发明实施例中，电池表面积为2.5cm²；强碱性溶液是由10.08g氢氧化钾(KOH)固体颗粒和1.215g氧化锌(ZnO)溶解在30ml去离子水中制备的。

本发明实施例中，制备凝胶聚合物的含量分别是：0.5g醚类聚合物F127、10ml氧化石墨烯、3g丙烯酰胺单体、0.03g过硫酸铵、0.01g亚甲基双丙烯酰胺以及30ml去离子水；制备的凝胶聚合物在强碱性溶液中浸泡12h制备凝胶聚合物电解质。

本发明实施例中，凝胶基纽扣式锌-空气电池表现出良好的充放电性能，以2mA/cm²的电流密度可循环充放电30小时以上；两个凝胶基纽扣式锌-空气电池串联起来可以使小灯泡正常发光。

需要说明的是，上述实施方式仅是示例性的，并非限定于本发明的保护范围。凡是在本发明的基础、原理上所做的任何修改、等同替换以及改进等，均应在本发明的保护范围之内。