一种具有自充电特性的锌离子电池及其制备方法

1.本发明基于电化学储能领域，具体涉及到一种具有自充电特性的锌离子电池及其制备方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，电池已经应用到各种领域，如汽车、新能源、航空航天等，这种储能器件已经成为生活中必备的元素。然而作为储能供能的器件，电池在其内部储存的电量使用完后，往往需要外加电场对电池进行充电，才能恢复其效能。但在没有外加电场的情况下，电池的使用就受到了极大的限制，仅被当做一次性耗材，这也不符合当前可持续发展的理念。而锌离子电池，不同于市面上常见的锂离子电池，能够依靠水系电解液作为电池的电解质并且能够在空气中进行组装，更加绿色安全。因此，能够在没有外加电场的情况下仅仅依靠电池内部的化学反应进行自充电的锌离子电池的制备就非常复合当前工业的前进导向，具有很大的发展潜力。


技术实现要素：

3.本部分的目的在于概括本发明的实施例的一些方面以及简要的介绍一些效果较佳的实施例。
4.基于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
5.为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：一种具有自充电特性的锌离子电池，包括正极、负极以及凝胶电解质；所述的正极包括：聚苯胺/氧化石墨烯；所述负极包括：金属锌/氧化石墨烯；所述凝胶电解液包括：三氟甲烷磺酸锌、pva、去离子水、硫酸。
6.作为本发明具有自充电特性的锌离子电池的一种优选方案，其中：所述苯胺溶液的浓度为0.01-0.1mol/l。
7.作为本发明具有自充电特性的锌离子电池的一种优选方案，其中：所述苯胺溶液的支持电解质可为硫酸、盐酸、磷酸或者高氯酸；所述酸的浓度为0.1-1mol/l。
8.作为本发明具有自充电特性的锌离子电池的一种优选方案，其中：沉积聚苯胺时的电流密度范围为0.1-0.2ma/cm2。
9.作为本发明具有自充电特性的锌离子电池的一种优选方案，其中：负极沉积金属锌的锌盐为硫酸锌，所述的硫酸锌浓度为0.1-0.2mol/l。
10.作为本发明具有自充电特性的锌离子电池的一种优选方案，其中：沉积金属锌时的电流密度范围为(-80)-(-100)ma/cm2。
11.作为本发明具有自充电特性的锌离子电池的一种优选方案，其中：凝胶电解质中的三氟甲烷磺酸锌的浓度为1-2mol/l。
12.作为本发明具有自充电特性的锌离子电池的一种优选方案，其中：凝胶电解质的ph值范围为2-4。
13.作为本发明具有自充电特性的锌离子电池的一种优选方案，其中：高猛酸钾、浓硫
同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
21.实施例1：(1)制备活性氧化石墨烯基底：将1*30mm的石墨条浸入质量比1：40：4的高锰酸钾、浓硫酸、浓磷酸混合溶液1mm左右，反应10s，拿出后用去离子水洗净得到活性氧化石墨烯基底；(2)制备凝胶电解质：将7.27g三氟甲烷磺酸锌加入10ml去离子水中，待溶解完全后用硫酸调节ph值至2，加入1gpva，加热至85℃，同时加速搅拌2h得到透明粘稠状溶液，静置冷却后得到凝胶状电解质；(3)制备正极：将10ul苯胺加入100ml、1m的硫酸溶液中得到苯胺溶液，把活性氧化石墨烯基底浸入得到的苯胺溶液中作工作电极，铂片作对电极，运用两电极体系在0.2 ma/cm2电流密度下电沉积3h得到聚苯胺/氧化石墨烯复合电极，即正极；(4)制备负极：将活性氧化石墨烯基底浸入0.2m的硫酸锌溶液中，铂片作对电极，kcl作参比电极，三电极体系下用-80 ma/cm2恒流电沉积20min得到金属锌/氧化石墨烯复合电极，即负极；(5)组装电池：按照正极、凝胶电解质、负极顺序组成具有自充电特性的锌离子电池。
22.图2为实施例1组装的锌离子电池在空气中15分钟开路电压与循环次数图，在电池被放电到0.5v的低电压的时候，电池正极上的聚苯胺由于本身的质子化效应，会与空气中的氧气进行反应进而电池的开路电压迅速增加，在15分钟之内，开路电压能够达到0.8383v，在50个循环之后，其自充电稳定性能保持在94.04%，说明电池的自充电性能可重复使用且损耗小。
23.实施例2：(1)制备活性氧化石墨烯基底：将1*30mm的石墨条浸入质量比1：40：4的高锰酸钾、浓硫酸、浓磷酸混合溶液1mm左右，反应10s，拿出后用去离子水洗净得到活性氧化石墨烯基底；(2)制备凝胶电解质：将7.27g三氟甲烷磺酸锌加入10ml去离子水中，待溶解完全后用硫酸调节ph值至2，加入1gpva，加热至85℃，同时加速搅拌2h得到透明粘稠状溶液，静置冷却后得到凝胶状电解质；(3)制备正极：将20ul苯胺加入100ml、1m的盐酸酸溶液中得到苯胺溶液，把活性氧化石墨烯基底浸入得到的苯胺溶液中作工作电极，铂片作对电极，运用两电极体系在0.15 ma/cm2电流密度下电沉积3h得到聚苯胺/氧化石墨烯复合电极，即正极；(4)制备负极：将活性氧化石墨烯基底浸入0.2m的硫酸锌溶液中，铂片作对电极，kcl作参比电极，三电极体系下用-90 ma/cm2恒流电沉积20min得到金属锌/氧化石墨烯复合电极，即负极；(5)组装电池：按照正极、凝胶电解质、负极顺序组成具有自充电特性的锌离子电池。
24.图2为实施例2组装的锌离子电池在空气中15分钟开路电压与循环次数图，其首次自充电15分钟的开路电压为0.8491，50个循环之后的自充电稳定保持在94.05%。
25.实施例3：
(1)制备活性氧化石墨烯基底：将1*30mm的石墨条浸入质量比1：40：4的高锰酸钾、浓硫酸、浓磷酸混合溶液1mm左右，反应10s，拿出后用去离子水洗净得到活性氧化石墨烯基底；(2)制备凝胶电解质：将7.27g三氟甲烷磺酸锌加入10ml去离子水中，待溶解完全后用硫酸调节ph值至2，加入1gpva，加热至85℃，同时加速搅拌2h得到透明粘稠状溶液，静置冷却后得到凝胶状电解质；(3)制备正极：将10ul苯胺100ml，1m的磷酸溶液中得到苯胺溶液，把活性氧化石墨烯基底浸入得到的苯胺溶液中作工作电极，铂片作对电极，运用两电极体系在0.2 ma/cm2电流密度下电沉积3h得到聚苯胺/氧化石墨烯复合电极，即正极；(4)制备负极：将活性氧化石墨烯基底浸入0.2m的硫酸锌溶液中，铂片作对电极，kcl作参比电极，三电极体系下用-100 ma/cm2恒流电沉积20min得到金属锌/氧化石墨烯复合电极，即负极；(5)组装电池：按照正极、凝胶电解质、负极顺序组成具有自充电特性的锌离子电池。
26.图3为实施例3组装的锌离子电池在空气中15分钟开路电压与循环次数图，其首次自充电15分钟的开路电压为0.8544，50个循环之后的自充电稳定保持在91.76%。
27.对比例1：(1)制备活性氧化石墨烯基底：将1*30mm的石墨条浸入质量比1：40：4的高锰酸钾、浓硫酸、浓磷酸混合溶液1mm左右，反应10s，拿出后用去离子水洗净得到活性氧化石墨烯基底；(2)制备凝胶电解质：将3.64g三氟甲烷磺酸锌加入10ml去离子水中，待溶解完全后不加硫酸调节ph值，此时溶液ph值在5-6之间，直接加入1gpva，加热至85℃，同时加速搅拌2h得到透明粘稠状溶液，静置冷却后得到凝胶状电解质；(3)制备正极：将10ul苯胺加入30ml、1m的硫酸溶液中得到苯胺溶液，把活性氧化石墨烯基底浸入得到的苯胺溶液中作工作电极，铂片作对电极，运用两电极体系在0.2 ma/cm2电流密度下电沉积3h得到聚苯胺/氧化石墨烯复合电极，即正极；(4)制备负极：将活性氧化石墨烯基底浸入0.2m的硫酸锌溶液中，铂片作对电极，kcl作参比电极，三电极体系下用-100 ma/cm2恒流电沉积20min得到金属锌/氧化石墨烯复合电极，即负极；(5)组装电池：按照正极、凝胶电解质、负极顺序组成具有自充电特性的锌离子电池。
28.图4为对比例1组装的锌离子电池在空气中15分钟开路电压与循环次数图，其首次自充电15分钟的开路电压为0.8414，50个循环之后的自充电稳定仅仅只有86.04%。
29.对比例1表明在酸性环境中，苯胺的质子化程度更高，提高了锌离子电池自充电的过程的可逆性，使得该锌离子电池的自充电稳定性进一步提升。
30.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。