[发明专利]一种多功能柔性电极及其制备方法

说明书

本发明属于柔性电极领域，具体涉及一种多功能柔性电极及其制备方法。本发明通过在静电纺丝的聚丙烯腈等聚合物前驱体中加入导电增强剂、生长金属有机框架所需的配体和磷、硫等异质掺杂源，通过原位转化，制备得到的柔性电极无粘结剂、无额外集流体、且自载催化剂的多功能柔性电极。本发明原料低廉，来源广泛，合成工艺简单，无污染，绿色环保。制备得到的多功能柔性多孔活性碳纤维作为锌空气电极材料应用时表现出良好的机械性能和自支撑稳定性，作为催化剂时表现出高效的催化活性。同时柔性电极制备得到的锌空电池和柔性锌空电池表现出良好的电循环性能。

技术领域

本发明涉及柔性电极领域，具体涉及一种多功能柔性电极及其制备方法。

背景技术

锌空电池的基本结构由锌电极、碱性电解质和含有活性物质的多孔空气电极组成。在放电过程中，锌发生氧化，释放出通过外部电路到达空气电极的电子。同时，大气氧分子扩散到空气电极中，通过强氧化还原反应(ORR)还原，在氧(气体)、电解质(液体)、活性物质(固体)的三相边界处形成氢氧根离子。与锂电池等封闭系统相比，锌空气电池具有独特的半开放系统，利用环境空气中的氧气，使空气电极所需的质量和体积最小化，提高了能量密度，近年来引起了人们的广泛关。锌空电池的理论能量密度(1218W·h·kg^-1)是锂离子电池的3倍左右，但制造成本较低。因此，在未来的能源应用中，锌空电池被认为是很有希望取代锂离子电池的。进一步的，消费电子产品特别是便携式和可穿戴设备的高市场需求也推动了锌空电池向柔韧性和小型化方向发展，因此电池的每个组件的灵活性是实现这一目标的基础，而空气电极作为电池发生化学反应的关键场所，对其自支撑的柔性设计更为重要。

锌空电池的空气电极承担着多种功能，包括氧气扩散，离子传输，电子转移，电催化活性，并适应沉淀物的形成。因此，可充电锌空气电池也需要较高的比表面积来负载和锚定氧电催化剂在催化活性层，并需要合适的孔道来进行有效的传质和氧扩散。目前，碳材料是电化学储能装置(如锂电池、锂硫电池、金属空气电池)不可缺少的组成部分，特别是碳纤维材料(碳布，碳纸等)由于具有高比表面积，丰富的多孔结构，优异的导电性，良好的稳定性和耐腐蚀性成为应用最广泛的支撑材料。

对于锌空电池来说，催化剂是空气电极的关键部件，它决定着锌空气电池的结构、性能和成本，因此空气电极的首要任务是高效、坚固、廉价的催化剂。目前，贵金属铂、金属氧化物IrO₂和RuO₂分别被广泛用作强氧化还原反应和析氧反应的基准催化剂。

目前主流的柔性电极基底主要是碳布或者其他金属网，通过将催化剂和粘合剂混合负载在导电基地材料上，一定程度上能实现空气电极的自支撑结构去满足柔性锌空电池的需求。

对于实际的金属空气电池，传统的需要添加许多辅助和非活性添加剂，包括聚合物粘合剂和催化剂载体。这些添加剂不仅会增加最终电极的重量，而且由于绝缘聚合物粘结剂引起的界面电阻增加和可接触活性位点的减少，还会损害电化学电池的性能。在反应过程中，添加剂的分解也会导致一些催化剂从电极表面脱落，因此，尽量减少使用辅助添加剂的空气电极的需求非常大。

对于锌空气电池来说，虽然Pt、IrO₂、RuO₂具有良好的活性，但它们的稀缺性、昂贵性和稳定性不足严重制约了这些贵金属催化剂在锌空气电池中的广泛应用。此外，单个贵金属催化剂不能同时作为强氧化还原反应和析氧反应的双功能电催化剂。因此，开发价廉、耐用、活性高的双功能氧催化剂是实现其在锌空气电池中实际应用的关键。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，提供了一种多功能柔性电极及其制备方法，通过在静电纺丝的聚丙烯腈等聚合物前驱体中加入导电增强剂、生长金属有机框架(MOF)所需的配体(二甲基咪唑)和磷、硫等异质掺杂源，通过原位转化，制备得到的柔性电极无粘结剂、无额外集流体、且自载催化剂的多功能柔性电极。

本发明所述的多功能柔性电极的制备方法，具体步骤如下：