可穿戴式柔性可充电锌空电池的制作方法

1.本实用新型涉及一种电池结构，尤其是涉及一种可穿戴式柔性可充电锌空电池。


背景技术：

2.目前柔性锌空电池，整体由金属锌负极、碱性电解液和负载催化剂的空气正极组成。正极分为气体扩散层、集流体和催化剂层，主要使用la
0.6
ca
0.4
coo3为代表的非贵金属双功能催化剂，反应活性物质为空气中的氧气；金属锌负极主要为不同形式的金属锌，如锌粉、锌粒、锌箔或泡沫锌等；室温下氢氧化钾溶液离子电导率高且可溶解一定量的锌离子，是锌空电池最常用的电解液。
3.传统锌空电池最外层的封装柔性电子材料的封装材料达不到长时间密封的要求进而限制了柔性电子设备的使用时长，柔性电池与电容器的安全性得不到保证；传统地采用浆料涂层或喷涂活性材料的方式在空气电极上添加活性材料，电极活性材料多为粉体，粉体的粘合和导电也是依靠聚合物粘合剂和导电添加剂，在弯折过程中极易脱落和形成不可逆形变而造成电池失效，且非活性添加剂可能会产生副作用，氢氧化钾电解液易泄露水分易损失，电解液的泄露问题是电池使用过程中的一大安全隐患，同时造成了电池寿命较短的问题。锌极单纯使用锌，可逆性较差，无法进行深度放电。在放电过程中，锌极不断产生不溶性氧化锌覆盖锌极表面，逐步将锌极表面与电解液分离产生钝化，阻碍深入放电过程，造成电池容量下降。在充电过程中，锌极表面凸起处更易于发生电化学反应，导致生成的金属锌在锌极表面的凸起处堆积，产生树状锌枝晶，造成电池容量损失降低循环寿命。
4.总之，传统的锌空电极及电池存在如下缺陷：
5.1.传统锌空电池锌电极硬度高，不具有延伸性能，且化学性质导致电池的充放电能力弱，不利于电池长期使用。
6.2.传统锌空电池电解质溶液易泄露，水分易损失，充放电能力一般，电池的使用寿命短； 3.柔性电子材料的封装材料达不到长时间密封的要求进，且耐用性不够好，不具备抗火防水等不理想情况下工作的能力，安全性较差；
7.4.传统锌空气电池制备过程复杂，制备难度较大，造价较高，无法大规模的应用于生产生活。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中的不足，本发明公开一种可穿戴式柔性可充电锌空电池。
9.其技术方案如下：
10.可穿戴式柔性可充电锌空电池，包括锌电极，空气电极和电解质；其特征为：采用层状结构从上到下依次设置为第一碳纳米管纸层、空气电极层、电解质层、锌电极层、第二碳纳米管纸层。
11.优选为：所述空气电极为co3o4/cc空气电极。
12.优选为：所述锌电极结构为以铜箔作为基材附着在锌膜上。
13.优选为：所述电解质层为聚乙烯醇/氢氧化钾薄膜。
14.优选为：所述锌空电池的层状结构通过压片机压制而成。
15.优选为：所述锌空电池形状为长条形。
16.优选为：所述锌空电池可以设置为手环形状。
17.优选为：所述电解质层以聚乙烯醇作为电解质载体。
18.有益效果：
19.1.本发明采用了层状结构与高柔韧性和高延展度的原材料相结合，可实现便携式使用与多场景应用。
20.2.锌电极采用锌片为锌极，铜箔作为基底集流体，具有良好的导电性和机械强度。
21.3.电解质使用聚乙烯醇(pva)作为电解质载体，得到的电解质薄膜具有良好的离子传输能力以及优秀的柔韧性能等优势，同时避免了一般电解质溶液的水分损失和泄露问题。
22.4.空气电极采用co3o4/cc空气电极具备高使用寿命，高充放电效率，高电流输出的优势。
23.5.本发明使用了碳纳米管(cnt)纸作为封装材料，碳纳米管纸具有较好的强度、弹性。因此作为电池外壳可以抗拉伸抗摩擦，避免不必要的物理损坏，进一步增加电池使用寿命与安全性。
附图说明
24.图1为本实用新型柔性锌空电池结构示意图。
25.图2为本实用新型柔性锌空电池结构工艺流程图。
26.其中：1第一碳纳米管纸层、2空气电极层、3电解质层、4锌电极层、5第二碳纳米管纸层。
具体实施方式
27.为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
28.穿戴式柔性可充电锌空电池，包括锌电极，空气电极和电解质；其特征为：采用层状结构从上到下依次设置为第一碳纳米管纸层、空气电极层、电解质层、锌电极层、第二碳纳米管纸层。所述空气电极为co3o4/cc空气电极。所述锌电极结构为以铜箔作为基材附着在锌膜上。所述电解质层为聚乙烯醇/氢氧化钾薄膜。所述锌空电池的层状结构通过压片机压制而成。所述锌空电池形状为长条形。所述锌空电池可以设置为手环形状。所述电解质层以聚乙烯醇作为电解质载体。
29.下面我们将进一步阐述穿戴式柔性可充电锌空电池具体结构及其构造组成。
30.本柔性锌空电池整体形状为长条状，可弯曲成手环进行携带。如图1所示。整体具有优良的柔性，放电持久，充电时间短，整体结构稳定，使用寿命长，且有一定抗摩擦，拉伸效果。
31.柔性锌空电池主要由三部分组成，分别为锌电极，空气电极和电解质，通过压片机压制并且采用碳纳米管纸层包裹组装在一起，下面介绍电池具体构造及其优点：
32.锌电极
33.锌电极采用滑铁卢大学jing fu等(fu j，lee d u，hassan f m，et al. flexible high
‑
energy polymer
‑
electrolyte
‑
based rechargeable zinc
‑
air batteries[j].advanced materials，2015，27(37)：5617
‑
5622.)设计的以锌片为锌极，铜箔作为基底集流体的电极。该文献公开了电极锌片整体由锌、cnf、cb和pvdf
‑
hfp聚合物粘结剂组成，由其制得极薄的锌膜，然后将铜箔作为基材附着在锌膜上，以确保良好的电接触；纳米纤维(cnf)可增强锌电极整体的导电性。聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯(pvdf
‑
hfp)聚合物粘结剂进一步改善了锌颗粒与 cnf之间的界面接触，所得到的独立锌膜具有优良的机械强度，可以自由滚动、扭曲和折叠而不受任何机械损伤。独立锌膜电极采用pvdf
‑
hfp/丙酮粘结剂体系构建一个由cnf、炭黑(cb)和粘合剂组成的3d互联网络，不仅保证了锌膜的固化时间短，而且在电极制备过程中避免了锌粒的氧化，整体上提高了电池的充放电能力。这样，在水介质中，它比其他粘合剂系统具有优势，从而简化了锌电极的生产。综上所述，本发明采用的锌电极结构构造属于现有技术，而并不是采用新材料制备的锌电极。
[0034]
空气电极
[0035]
空气电极采用天津大学(qu s x，song z s，liu j， et al.electrochemical approach to prepare integrated air electrodes for highly stretchable zinc
‑
airbattery array with tunable output voltage and current for wearable electronics[j].nano energy， 2017，39：101
‑
110)设计的co3o4/cc空气电极，该电极为采用电沉积法使高柔性碳布上原位生长活性材料，然后进行热处理。具体为将co(oh)2电沉积在cc(碳布)上，然后煅烧，在cc上平均生长出约co3o4纳米片，综上所述，本发明采用的空气电极结构构造属于现有技术，而并不是采用新材料制备的空气电极。
[0036]
该文献设计的空气电极采用电沉积法的原位生长技术减少了转移步骤，避免了外来杂质的干扰，如浆料涂层和喷涂活性材料，抑制了放电和充电过程中副反应的发生，提高了电池的使用寿命，还简化了制备过程。获得的空气电极表面电镀的co3o4呈纳米片状结构，有利于电解质的渗透和电荷的快速输运，具有较小的电阻率，改良了电池整体充放电能力。且 co3o4的独特纳米结构提高了自身的催化能力，可以加快空气电极上发生的化学反应，因此可以承受更强的电流，如此能够减小电池的充电周期，还可以向外界提供更强的电流。
[0037]
电解质
[0038]
电解质采用在柔性锌空电池中应用广泛的方法，上文提到的滑铁卢大学与天津大学均使用该种电解质。该电解质主要以聚乙烯醇(pva)为载体的氢氧化钾，制备得到pva/koh薄膜。制得的电解质薄膜具有良好的离子传输能力，避免了一般电解质溶液的水分损失和泄露问题，在一些极端条件下如切割，高温，撞击等可以保持很好的稳定性，可以提高电池的安全性能，在一定程度上延长了电池的使用寿命。
[0039]
碳纳米管(cnt)纸
[0040]
电池外包装借鉴h.li等(li h f，han c p，huang y， et al.an extremely safe and wearable solid
‑
state zinc ion battery based on a hierarchical structuredpolymer electrolyte[j].energy&environmental science，2018，11(4)：941
‑
951.)采用的碳纳米管(cnt)纸。该碳纳米管(cnt)纸具有良好的导电性，较好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性。用于电池的外包装，可起到抗磨擦，抗拉伸的作用，避免损伤电池，增加电池的
使用寿命。
[0041]
综上所述，本实用新型请求保护的穿戴式柔性可充电锌空电池，该电池包括锌电极，空气电极和电解质；所述空气电极为co3o4/cc空气电极以及所述锌电极结构、所述电解质层都采用了现有技术，而并不是采用新材料制备的上述部件，本发明是在现有技术的基础上对电池结构做出进一步改进以解决背景技术中存在的缺陷。
[0042]
总体结构设计
[0043]
如图1所示，采用一层一层设计方法，将两电极(空气电极和锌电极)与电解质膜面对面地放置，在压片机下压制，制备成全固态锌空气电池。而后将碳纳米管纸(cnt)包裹电池表面，作为电池的外包装。最后成品理想形状为长条状柔性电池，可用作手环。
[0044]
工作原理如下：
[0045]
本柔性锌空电池本质上以锌为正极、氧为负极、氢氧化钾为电解质。锌空气电池的化学反应与普通碱性电池类似，其基本工作原理为电池正极上的锌与电解质中的oh－发生电化学反应(负极反应)，释放出电子。同时空气负极反应层中的催化剂与电解质及经由扩散作用进入电池的空气中的氧气相接触，吸收电子，发生电化学反应(正极反应)，从而达到放电的效果。电池充电时，发生上述的逆过程，即在负极发生金属锌沉积、在空气正极发生氧析出反应。
[0046]
本实用新型主要阐述了一种新型穿戴式柔性可充电锌空电池结构构造，并且其部件的组成是采用了现有技术，其工作原理属于本领域公知常识，因此本发明忽略了其工作原理的内容，本发明给出的示例只是作为最佳说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明专利不仅局限于以上实施实例，其具体结构允许有变化。在本发明专利独立权利要求的保护范围内所做的各种工况、各种变化均在本发明专利保护范围内。