金属空气电池用电解质及其制备方法以及利用其的金属空气电池

本发明涉及包含石墨烯纳米片的金属空气电池用电解质及其制备方法。

背景技术：

1、金属空气电池以铁、锌、镁、铝等金属为负极(anode)，使用空气中的氧为正极(cathode)的电池，由正极、负极及电解质构成。

2、放电时，负极中的金属被氧化而产生金属离子，产生的金属离子穿过电解质向作为正极的氧空气极移动。在正极中，外部的氧通过正极溶解在电解质中而被还原。例如，锌-空气电池放电时可以在负极和正极中通过如下反应来生成电。

3、负极：2zn+4oh-→2zno+2h2o+4e-

4、正极：o2+2h2o+4e-→4oh-

5、这样，金属空气电池通过集电电解质中金属与空气中的氧反应而生成的电子来生成电。金属空气电池通过使从负极产生的电子沿外部导线向正极移动来产生电流。

6、金属空气电池使用可以从空气中无限接收的氧作为正极活性物质，因此，与受到正极及负极材料的理论容量限制的锂离子电池相比，具有能量密度显著高的特征。

7、并且，金属空气电池的负极材料采用相对安全且廉价的金属，因此具有安全且经济性的优点。因此，金属空气电池不仅具有适合电能储存及汽车等运输设备所要求的高容量化的特性，还具有经济且环保的优点。

8、然而，尽管金属空气电池具有高能量密度，但实质上难以表现出理论上的全部能量密度，具有寿命短、因高的极化(polarization)而发生过电压的缺点。作为代表性的例，金属空气电池在放电时产生金属氧化物。金属氧化物的离子电导率低，若金属氧化物覆盖正极，则因极化变高而降低电池的能量效率。并且，金属空气电池的正极中在放电时发生氧化还原反应(oxygen reduction reaction，orr)，在充电时发生析氧反应(oxygenevolution reaction，oer)。尤其，这样的氧气的氧化还原反应示出非常慢的反应速度，因此具有充放电不畅且充放电循环寿命降低的问题。

9、因此，金属空气电池使用用于促进氧化还原反应(orr)及析氧反应(oer)的催化剂。催化剂通常使用铂(pt)等贵金属催化剂或氧化铱(iro2)、氧化钌(ruo2)等金属氧化物。然而，它们价格高昂，而且还是固体状催化剂，因此多有催化剂活性低或效率低下的情况。于是，近来正进行着在电解质中包含液体催化剂(soluble catalysts)的研究。它们可以在电解质内部自由移动，因此具有能够提高催化剂效率的优点。但若被氧化的液体催化剂向负极移动并反应来生成副反应物，则还具有降低电池的充放电容量及寿命的问题。

10、因此，为了提高金属空气电池的容量及寿命，需要开发催化剂反应效率高且稳定性高的新型电解质。

11、专利文献1：韩国授权专利公报第10-1851564号(2018年04月25日)。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的目的在于，提供通过包含表面功能化的石墨烯纳米片来具有优秀的充放电效率、能够在长期充放电循环中示出金属空气电池优秀的稳定性的电解质。

3、并且，本发明的目的在于，提供能够在金属空气电池的正极中通过提高析氧反应的效率来进行自充电(self-charging)的电解质。

4、并且，本发明的目的在于，提供利用上述电解质的金属空气电池。

5、本发明的目的不限定于以上提及的目的，未提及的本发明的其他目的及优点可以通过下述说明理解，可以通过本发明的实施例更为明确地理解。并且，显而易见的是，本发明的目的及优点可以通过发明要求保护范围中示出的手段及其组合来实现。

6、技术方案

7、本发明的金属空气电池用电解质包含：碱溶液；以及石墨烯纳米片，分散在上述碱溶液中。上述石墨烯纳米片是用亲水基团进行表面改性的石墨烯纳米片。

8、本发明的金属空气电池用电解质的制备方法包括：步骤(a)，水热处理含碳前体；步骤(b)，通过使上述水热处理的含碳前体碳化来制备石墨烯纳米片；步骤(c)，使用酸溶液处理上述石墨烯纳米片，以用亲水基团进行表面改性；以及步骤(d)，分散及混合上述表面改性的石墨烯纳米片与碱溶液。

9、本发明的金属空气电池包括：负极，包含金属；正极，使用氧作为活性物质；以及电解质，介于上述负极与正极之间。上述电解质包含碱溶液以及分散在上述碱溶液中的石墨烯纳米片，上述石墨烯纳米片是用亲水基团进行表面改性的石墨烯纳米片。

10、发明的效果

11、本发明的电解质适用于金属空气电池，包含石墨烯纳米片，能够自发地充电，充放电效率高，可以表现出优秀的充放电循环寿命。

12、并且，本发明的电解质的特征在于，制备工序简单，利用其的金属空气电池与现有的金属-空气电池相比，表现出高的充放电效率和充放电循环寿命。

13、上述效果以及本发明的具体效果将在以下具体实施方式中加以说明。

技术特征：

1.一种金属空气电池用电解质，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的金属空气电池用电解质，其特征在于，上述亲水基团包含羟基、羧基、羰基、氨基及磷酸基中的一种以上。

3.一种金属空气电池用电解质的制备方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的金属空气电池用电解质的制备方法，其特征在于，上述步骤(a)在180～250℃的温度下进行水热处理。

5.根据权利要求3所述的金属空气电池用电解质的制备方法，其特征在于，上述步骤(b)在300～1000℃的温度下进行碳化。

6.根据权利要求3所述的金属空气电池用电解质的制备方法，其特征在于，在上述步骤(c)中，亲水基团包含羟基、羧基、羰基、氨基及磷酸基中的一种以上。

7.一种金属空气电池，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的金属空气电池，上述负极包含锌、锂、镁及铝中的一种以上。

技术总结
本发明公开如下金属空气电池用电解质：包含石墨烯纳米片，能够自发充电，可以在长期充放电循环中表现出金属空气电池优秀的稳定性。本发明的金属空气电池用电解质包含碱溶液以及分散在上述碱溶液中的石墨烯纳米片，上述石墨烯纳米片可以是用亲水基团进行表面改性的石墨烯纳米片。

技术研发人员：金太永,库穆德·玛莉卡·特里帕蒂,古里·桑卡尔·达斯
受保护的技术使用者：嘉泉大学校产学协力团
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31