[发明专利]石墨纸为集流体的锌/苯胺与5‑氨基水杨酸共聚物二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及二次电池的集流体技术领域。

技术背景

随着人们对能源需求的日益增长以及社会和经济可持续发展的不断提高，具有高性能低成本的绿色能源引起了人们原来越多的关注。聚苯胺作为一种最有前景的导电聚合物材料由于具有良好的导电性、成本低廉、简单易于合成以及在水溶液和空气体系中易于合成等优点。因此，聚苯胺将是可充二次电池的有前景的活性材料。

锌/聚苯胺电池已有报导，并有重大突破。然而，如今发展聚苯胺电池遭遇的一个重要问题就是集流体的稳定性。聚苯胺电池的集流体应该满足以下条件：电荷的良导体，足够的机械强度，抗腐蚀性能，化学和电化学稳定性。一旦集流体发生腐蚀或者溶解，活性物质与集流体之间的接触电阻将增大。另外，溶解的金属离子将会污染电解液。这些因素都会引起电池性能的下降。目前，通常使用铂、金、碳纳米管等作为聚苯胺电池的集流体。尽管这些材料能满足以上条件，但是它们要么价格昂贵要么加工成型困难。而常用的材料比如铝箔、铜箔、镍箔和不锈钢也不适用于聚苯胺电池。因此，实现聚苯胺电池的商业化，必须寻求一种合适的集流体。

锌/苯胺与5-氨基水杨酸共聚物二次电池主要由四个部分构成：阴极、阳极、电解质和隔膜。苯胺聚合物作为阴极，锌片作为阳极。其工作原理是利用导电高聚物苯胺聚合物在充放电过程中掺杂和脱掺杂的可逆性来实现氧化还原反应。

发明内容

本发明是针对现有锌/聚苯胺二次电池的容量低，循环寿命短等固有问题，提出一种以石墨纸作集流体的水电解质锌/苯胺与5-氨基水杨酸共聚物二次电池。

本发明二次电池的阴极是负载在轻薄石墨纸上的苯胺与5-氨基水杨酸共聚物，阳极为锌片。

本发明电解质为pH值为 4.0～6.0的ZnCl₂、NH₄Cl和有机酸盐组成的混合溶液。

本发明的集流体为轻薄石墨纸，轻薄石墨纸导电性好，有一定的机械强度以及抗腐蚀性能强，材料内阻几乎为零，成本低，且柔韧性好，便于裁剪加工。

根据电池充放电结果，共聚物电池的放电比容量为145 mAh·g^-1，电池在恒电流下连续充放电150次，第150次的放电比容量为96 mAh·g^-1，库伦效率为97%。本发明的锌/苯胺与5-氨基水杨酸共聚物二次电池具有良好的充放电性能。通过进一步的研究，有可能成为下一代高性能电池。

进一步地，本发明二次电池的电解质由1.0～3.0 M ZnCl₂、2.0～4.0 M NH₄Cl和有机酸盐组成的水溶液，电解质的pH为4.0～6.0。该混合溶液对苯胺与5-氨基水杨酸共聚物的电化学性能没有明显影响，能够有效抑制锌电极的析氢腐蚀和锌枝晶的形成。

另外，所述有机酸盐为乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、辛酸盐、己二酸盐、丙二酸盐、丁二酸盐、马来酸盐、酒石酸盐、苯甲酸盐、苯乙酸盐、邻苯二甲酸盐、戊酸盐、己酸盐、癸酸盐、丙烯酸盐或柠檬酸盐中的一种或几种。

附图说明

图1为本发明二次电池的结构示意图。

图2是空白石墨纸集流体在不同pH值的循环伏安图。

图3是空白石墨纸集流体在不同pH值的交流阻抗图。

图4是锌/苯胺与5-氨基水杨酸共聚物二次电池在不同电流密度的恒电流充放电曲线。

图5是锌/苯胺与5-氨基水杨酸共聚物二次电池在不同循环次数时的充放电曲线。

具体实施方法

一、制备二次电池：

1、正极的制备：

（1）电解液的配制：

原料：苯胺、5-氨基水杨酸、盐酸和二次蒸馏水。其中，苯胺经减压蒸馏后保存在低温条件下备用。

配置100mL含量分别为 0.1～1.0mol/L的苯胺、0.01～0.1mol/L的5-氨基水杨酸和0.5～2.0 mol/L的盐酸水溶液，用磁力搅拌器搅拌均匀。

（2）集流体：将石墨纸用二次蒸馏水洗涤，烘干。然后裁成25 cm²的片状，备用。

（3）苯胺与5-氨基水杨酸共聚物的合成：将配制好的电解液置于三管电解池中，以背面涂有绝缘层的片状轻薄石墨纸为工作电极，以饱和甘汞电极为参比电极、铂电极为对电极，采用恒电位电化学聚合方法，在电位为0.7～1.5 V（相对于饱和甘汞电极）的条件下电化学合成 5～20分钟，使片状石墨纸表面负载有0.01～1g苯胺与5-氨基水杨酸共聚物。