[发明专利]一种纳米纤维空气电池阴极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米纤维空气电池阴极及其制备方法，属于材料技术领域。本发明以聚丙烯腈、苯胺为原料，通过静电纺丝技术及原位化学聚合方法得到聚苯胺‑聚丙烯腈纳米纤维，并将其作为阴极组装空气电池。本发明的纳米纤维空气电池阴极，同时兼具有柔韧性好、电量高、可反复充放电等性能，可以用于可穿戴电子设备的供电。

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维空气电池阴极及其制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

随着矿物能源的枯竭以及使用带来的巨大污染，我国在矿物能源和环境保护方面的压力日益严重。为了替代石油、煤炭等高污染能源，发展化学储能电池是当务之急。

另一方面，不论是智能手机还是可穿戴设备，续航能力一直被人们所诟病。目前已经不断产生各种新技术来解决移动设备的续航问题，石墨烯电池、太阳能充电电池等。其中最受瞩目的就是柔性电池，柔性电池以其优越的性能和可折叠性而被人们所看好，各大科技巨擘和科研机构也在推广柔性电池的技术上不断地求索。例如，据外媒NPU报道，诺基亚最近开发了一种“石墨烯自充电光子电池”的专利，这意味着未来的设备或将具有自发电功能。三星在2014韩国电池展览会上展示了可卷曲柔性电池。

空气电池是一类重要的储能装置，由于其与可充电电池相比具有更快的充放速率、更高的功率密度、更长的循环寿命和更低的维护，因此在能源界已引起了广泛的关注。在设计空气电池时，电极材料在其性能中起重要作用。电极材料需考虑的主要因素是充放电循环寿命和稳定性以及制造成本。聚苯胺(Polyaniline，PANI)是一种有前景的导电聚合物，由于其具有法拉弟(faradaic)赝电容、环境稳定性、低成本、易于可加工性和相对良好的导电性等优点，被广泛应用于电容器及各种电池阴极中。然而，PANI是一种脆性材料，无法形成纤维材料，也无法制备成纤维电池，并且其循环稳定性低、倍率性能受限，并且由于充电/放电过程产生的收缩，其在大电流下具有低功率密度。因此，亟需设计一种用于纤维空气电池的、低成本、高质量、长循环寿命的阴极材料及其制备方法，。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种通过在聚丙烯腈(PAN)纳米纤维中原位聚合苯胺单体，从而得到聚苯胺-聚丙烯腈纳米纤维空气电池阴极材料及其制备方法。该阴极材料，不仅仅能够满足空气电池柔性的需求，而且具有低成本、高质量、长循环寿命等优点。本发明的纳米纤维阴极材料，可以用于“金属-空气电池”的制备。

本发明的第一个目的是提供一种纳米纤维空气电池阴极，所述米纤维空气电池阴极是以聚丙烯腈(PAN)为成纤基体材料，通过静电纺丝方法，在电场力下使静电纺丝在经溶剂挥发后形成纳米尺寸的纤维，在接地的金属滚筒上收集后得到含有苯胺单体的PAN纳米纤维膜；而后，将苯胺单体通过化学氧化的方法在PAN纳米纤维中原位聚合，最终得到聚苯胺-聚丙烯腈纳米纤维阴极材料。

在本发明的一种实施方式中，所述静电纺丝由PAN、苯胺单体和纺丝溶剂二甲亚砜组成。

在本发明的一种实施方式中，所述PAN的质量分数为10-20％，苯胺单体的质量分数为5-10％，溶剂的质量分数为70-85％。

本发明的第二个目的是提供一种纳米纤维空气电池阴极的制备方法，所述方法的具体步骤如下：

(1)配制静电纺丝溶液：在PAN粉体中加入一定比例的苯胺单体，混合后加入溶剂二甲亚砜，搅拌使其溶解均匀。

(2)纳米纤维前驱体制备：将静电纺丝溶液置于针筒中，在电场力下使静电纺丝在经溶剂挥发后形成纳米尺寸的纳米纤维；

(3)苯胺的原位氧化聚合：将得到的纳米纤维在过硫酸铵溶液中浸泡后，在冰水浴中反应10小时；反应后清洗干燥，得到聚苯胺-聚丙烯腈纳米纤维。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中PAN的质量分数为10-20％，苯胺单体的质量分数为5-10％，溶剂的质量分数为70-85％。