一种光敏低温金属空气电池组及其制备方法

1.本发明属于光敏低温金属空气电池组领域，尤其涉及一种光敏低温金属空气电池组及其制备方法。


背景技术：

2.可充电电池是现代能源网络的核心技术。随着人类社会活动的日益进步，人们对可充电电池的各种工作条件提出了更高的要求。特别是在高纬度、高海拔、深海等环境中，可充电电池的低温储能受到新的挑战。因此，新的电池技术在低温下能否高效储能受到科技人员的高度重视。
3.在所有新型二次电池中，金属空气电池受到广泛关注，其具有极高的能量密度，可为电子设备长时间连续供能。金属空气电池中最为典型的代表就是非水系锂空气电池和水系锌空气电池。然而，金属空气电池在低温下仍存在电池容量有限，倍率性能差，寿命短等问题，限制了其在低温下的实际应用，因此需要对低温金属空气电池进一步探索。
4.金属空气电池在低温条件下性能衰减受限于两个因素：一方面，空气正极的动力学对温度敏感，会随着温度降低而降低导致较大的过电位，造成能量损失；另一方面，电解液的冰点高而容易被冻结，这限制离子迁移能力和电解质对电极的润湿性，导致电极/电解液界面恶化。目前除了对电池的外包装进行物理加热，尚无实现金属空气电池在低温下运行的有效方法；现有加热技术会增加电池包的重量，严重削减电池的整体能量密度，且需要消耗电池本身的电能实现自身加热。
5.为避免上述技术问题，确有必要提供一种光敏低温金属空气电池组及其制备方法以克服现有技术中的所述缺陷。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种光敏低温金属空气电池组及其制备方法，旨在设计一种光敏低温金属空气电池组，无需进行外部加热，即可实现电池在低温下安全、稳定、持续输出能量。
7.本发明是这样实现的，一种光敏低温金属空气电池组，包括：
8.若干个光敏低温金属空气电池，所述光敏低温金属空气电池之间并联或串联；所述光敏低温金属空气电池包括光敏正极、浸润电解液的隔膜或固态电解质、金属负极；
9.所述光敏正极由光正极催化剂和正极集流体组成；
10.所述光正极催化剂为金属纳米粒子与导电基底复合的催化剂，所选用的金属纳米粒子与导电基底复合的催化剂具有全光谱吸收响应；所选用的金属纳米粒子与导电基底复合的催化剂具有优异的光热转化能力，可催化氧气还原与析出反应。
11.所述的金属纳米粒子与导电基底复合的催化剂的制备方法，包括如下步骤；
12.s1.制备碳纳米管导电基底；
13.s2.在步骤s1中的碳纳米管导电基底表面生长金纳米粒子；
14.进一步的技术方案，所述的电解液为碱性电解液或固态电解质。
15.进一步的技术方案，所述金属纳米粒子为金、银、金属、金属氧化物或复合纳米粒子。
16.进一步的技术方案，所述导电基底包括碳纳米管、石墨烯以及导电碳。
17.进一步的技术方案，所述光敏正极为au@cnt正极。
18.进一步的技术方案，所述金属负极为锌板。
19.一种光敏低温金属空气电池组的制备方法，将光敏正极、浸润电解液的隔膜/固态电解质、金属负极封装在电池模具中。
20.相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
21.(1)负载金属纳米粒子的复合光催化正极可以吸收利用太阳能，通过等离子体共振效应将光能转化为电能与热能，促进空气正极的反应动力学，提高电池性能；
22.(2)复合光正极与电解质进行有效的热传递，保证氧化还原反应的有效进行，从而实现在低温条件下稳定输出能量；
23.(3)光敏低温金属空气电池组在自然光照和-20摄氏度的环境中，可为用电器供电的时长超过等面积的锂离子电池。
24.这项研究不限于金属空气电池，也可以应用于其他电池系统，构成了向全固态光敏金属空气电池实际应用的重要一步。
附图说明
25.图1为本发明实施例中的au@cnt光正极透射电镜图。
26.图2为本发明实例1中的au@cnt光正极的红外热成像图。
27.图3为本发明实例2的光敏锌空气电池在-20摄氏度太阳光照射下为5v风扇供电场景。
28.图4为本发明实例3的光敏固态锌空气电池在-20摄氏度太阳光照射下为18v温度显示器供电场景。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
31.制备au@cnt光正极，包括如下步骤：
32.s1.称取2g三聚氰胺平铺在瓷舟底部，将碳纸放置在瓷舟表面，随后将基底放在碳纸上面，转移至管式炉内；
33.s2.在管式炉内通入氮气1小时后，升温至750摄氏度，保持2小时后，退火得到碳纳米管导电基底；
34.s3.将碳纳米管导电基底浸泡在氯金酸水溶液中，调节ph＝7，在氙灯下光照20分钟。取出基底用清水清洗后干燥，得到au@cnt导电基底，即au@cnt光正极；
35.对本发明实施例1制备的au@cnt光正极进行表征。
36.参见图1，图1为实施例1制备的au@cnt光正极透射电镜图。
37.由图1可知，本发明制备的au@cnt光正极将au纳米粒子与cnt导电基底紧密结合，有利于协同吸收太阳光，促进氧化还原反应的进行。参见图2，图2为实施例1制备的au@cnt光正极进行红外热成像检测。
38.由图2可知，au@cnt光正极在太阳光照下环境温度-30摄氏度下温度可达28摄氏度，比单一au正极和cnt正极都高，说明au@cnt可以协同吸收太阳能有效转化为热能。
39.制备光敏低温液态锌空气电池，包括如下步骤：
40.s1.从上至下将au@cnt光正极、浸润6mol/l氢氧化钾电解液隔膜、负极锌板封装在电池磨具中；
41.s2.将电池置于太阳光下进行测试；
42.对本发明实施例2制备的光敏锌空气电池进行测试。
43.参见图3，图3为本发明制备的光敏锌空气电池在-20摄氏度太阳光照射下为5v风扇供电时间统计图。
44.由图3可知，在环境温度-20摄氏度太阳光照下，光敏锌空气电池可以为5v风扇供能可达175分钟，大于没有光照下锌空气电池50分钟工作时间。此外，该工作时间也超过单位面积以磷酸铁锂为正极、石墨为负极的锂离子电池1小时的工作时间。
45.制备光敏低温固态锌空气电池，包括如下步骤：
46.s1.将聚乙烯醇按照1:40加入去离子水中，加热至90摄氏度，加热4小时至固体完全溶解，溶液重新变回透明溶液；
47.s2.将氢氧化钾分散在去离子水中，配置10mol/l,转移至上述透明溶液中，搅拌均匀，得到pva溶液；
48.s3.将pva溶液趁热浇筑在锌板上，在-20摄氏度下静置24小时；
49.s4.将au@cnt光正极贴合在pva另一侧，封装成电池。
50.对本发明实施例3制备的光敏固态锌空气电池进行测试。
51.参见图4，图4为本发明制备的光敏锌空气电池在-20摄氏度太阳光照射下为5v风扇供电时间统计图。
52.由图4可知，在环境温度-20摄氏度太阳光照下，光敏固态锌空气电池可以为18v显示屏供能可达40分钟，大于没有光照下固态锌空气电池10分钟工作时间。此外，该工作时间也超过单位面积以磷酸铁锂为正极、石墨为负极、peo作为固态电解质的锂离子电池20分钟的工作时间。
53.在碳中和、碳达峰的时代背景下，以光敏固态锌空气电池为代表的光敏金属空气电池有望成为在极端条件下储能和供能的重要组成部分。
54.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
55.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。