一种基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池及其制备方法

1.本发明属于金属空气电池技术领域，具体涉及一种基于半导体光电极材料和凝胶态电解质的铁空气电池。


背景技术：

2.能源一直以来都是人类研究发展的重要课题，而电池作为一种能源的重要载体获得了广泛关注。其中最常见的电池就是锂离子电池，锂离子电池因循环寿命长，低温放电性能好，并且比能量高等特点受到了广泛的应用。但是锂离子电池存在危险性高，储量少、开采难度大等缺陷。因此需要一种更高效廉价的电池来代替锂离子电池。而金属空气电池的出现就正好弥补这一点缺失。
3.另一方面，随着化石燃料衍生物的不断耗尽，开发并利用丰富、清洁的可再生能源成为了当代能源发展的迫切需求。其中太阳能作为饱受关注的清洁能源之一，有着广阔的开发前景。而此时，基于光催化技术的光辅助金属空气电池逐渐走进人们的视野。金属空气电池由金属电极，空气电极以及电解质溶液组成。金属-空气电池由于具有理论能量密度高、环境友好、低成本等特点，被认为是极具发展潜力的新能源技术。
4.铁(fe)是含量第四丰富的元素，也是一种低价、环保的阳极材料。因此，就材料成本而言，铁-空气电池更有利。而且，fe更耐腐蚀，会相对降低自放电率。因此在各种金属空气电池中，铁-空气电池因能量密度较高、环境友好、含量十分丰富以及优异的安全性，受到了广泛关注。许多电化学装置中都引用了光能，但光能在铁空气电池系统中的应用却很少。因此将光能引入到铁空气电池当中，可以充分利用太阳能，并实现太阳能到电能的转换。同时用半导体光电极材料来替代贵金属电极，这一举措可以显著降低铁空气电池的成本。另外传统空气电池通常选择水系电解液，其存在漏液以及不易携带的问题。而凝胶态电解液存在导电率差，且长时间测量时固态电解液容易变质影响使用，因此需要进一步探究。


技术实现要素：

5.为了解决上述存在的技术问题，本发明利用水热法、电化学沉积法以及煅烧的方法制备了具有优异光催化活性的tio
2-cuo薄膜光电极材料，并用凝胶态电解液取代传统的水系电解液作为铁空气电池的电解质。本发明提供的铁空气电池在光照条件下能够降低铁空气电池的充电电压，提高铁空气电池的放电电压。实现了太阳能、化学能以及电能三者之间的协同转化。
6.本发明采用的技术方案是：一种基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池，是以tio
2-cuo薄膜光电极作为空气电极，铁片作为金属电极，海藻酸钙水凝胶作为电解质组成的铁空气电池。
7.一种基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池的制备方法，包括如下步骤：
8.1)tio
2-cuo薄膜光电极的制备：利用电化学沉积法进行电沉积，将氧化亚铜沉积在tio2薄膜上，得到tio
2-cu2o薄膜，然后置于马弗炉中高温煅烧，冷却得tio
2-cuo薄膜光电
极。
9.优选的，所述tio2薄膜的制备方法，包括如下步骤：将去离子水、浓盐酸和钛酸正丁酯混合搅拌至澄清透明，将所得混合溶液和导电基底一同放入高压反应釜中，在170℃下反应4h，冷至室温后取出，去离子水洗涤，室温晾干后，置于马弗炉中，500℃下煅烧2h，获得在导电基底上负载有tio2薄膜。
10.优选的，按体积比，去离子水:浓盐酸:钛酸正丁酯＝7.5:7.5:1。
11.优选的，步骤1)，具体为：将cuso4·
5h2o和乳酸溶于去离子水中，用naoh溶液调ph至11～12之间，所得溶液作为沉积液，以pt丝作为对电极，ag/agcl为参比电极，负载有tio2薄膜的导电基底为工作电极，利用电化学沉积法进行电沉积，将氧化亚铜沉积在tio2薄膜上，得到tio
2-cu2o薄膜，然后置于马弗炉中，550℃下煅烧2h，冷却，得tio
2-cuo薄膜光电极。
12.优选的，按质量比，cuso4·
5h2o:乳酸＝1:10～11。
13.优选的，所述电沉积是，偏压-0.5v下电沉积600～650s。
14.2)海藻酸钙水凝胶的制备：将海藻酸钠溶液与氢氧化钾溶液混合均匀，将混合液浸入氯化钙溶液中，搅拌均匀形成凝胶状，得海藻酸钙水凝胶。
15.优选的，步骤2)，具体为：将质量百分浓度为1％的海藻酸钠溶液与浓度为1m氢氧化钾溶液，按体积比6:1混合均匀，将所得混合液浸泡在0.05g/ml的氯化钙溶液中约5min，得海藻酸钙水凝胶。
16.3)以tio
2-cuo薄膜光电极作为空气电极，铁片作为金属电极，海藻酸钙水凝胶作为电解质组成铁空气电池。
17.本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
18.1、本发明，利用半导体材料tio
2-cuo薄膜代替了贵金属材料，在提高电池性能的同时节约了成本。
19.2、本发明，金属电极使用铁片，铁价格低廉，容易获得，铁空气电池的能量密度与理论电压较大，且目前对铁空气电池的研究较少，有很大的研究空间。另外与其他空气电池相比，铁空气电池具有安全性高、寿命长等优点。
20.3、本发明，空气电极用tio
2-cuo薄膜，制备了一种tio
2-cuo空气半导体光电极材料，降低了铁空气电池的充电电压，提高了铁空气电池的放电电压，充分实现了太阳能与电能之间的转化。
21.4、本发明，成功的将凝胶态电解液和太阳能引入铁空气电池的体系，与传统铁空气电池相比，本发明充分利用了太阳光这种可再生资源，在控制电池成本的情况下极大的降低了电池的充电电压，拓宽了绿色能源的道路，解决了传统电池的漏液以及不易携带的问题。与此同时本发明的光催化剂制备简单、价格低廉，并且有较好的光电性能，是一种发展前景十分可观的光电极材料。
附图说明
22.图1是本发明基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池的工作原理图。
23.图2是本发明基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池中tio
2-cuo薄膜作为空气电极的充放电性能测试图。
24.图3是本发明基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池中tio
2-cuo薄膜作为空气
电极的交流阻抗曲线。
25.图4是本发明基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池的结构示意图。
26.图5是本发明基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池的器件组装图。
27.图6是两节串联的本发明基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池在模拟太阳光下点亮led灯泡图。
具体实施方式
28.为了更好地阐述本发明的内容，下面通过具体实施对本发明做进一步说明：
29.实施例1基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池
30.(一)制备方法包括如下步骤：
31.1、tio2薄膜的制备
32.将7.5ml去离子水、7.5ml浓盐酸和1ml钛酸正丁酯混合搅拌至混合溶液澄清透明。将所得混合溶液和导电玻璃一同放入高压反应釜中，在170℃下反应4h，冷却至室温后取出，用去离子水冲洗导电玻璃，并在室温条件下晾干，之后置于马弗炉中，在500℃下高温煅烧2h，得在导电玻璃上负载有tio2薄膜。
33.2、tio
2-cuo薄膜光电极的制备：
34.将1.25g cuso4·
5h2o和13.5g乳酸溶于50ml去离子水中，用浓度为6m naoh溶液调ph至11～12，所得溶液作为沉积液。
35.利用电化学沉积法进行电沉积，以负载有tio2薄膜的导电玻璃为工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极，施加-0.51v偏压，在80℃下电沉积600s，将氧化亚铜沉积在tio2薄膜上，得到tio
2-cu2o薄膜。将所得产物放入马弗炉中，在550℃下煅烧2小时，冷却至室温，得tio
2-cuo薄膜光电极。
36.3、海藻酸钙水凝胶的制备：
37.将6ml海藻酸钠溶液(1％wt)与1ml氢氧化钾溶液(1m)混合均匀，将所得溶液浸入氯化钙溶液(0.05g/ml)中约5min，即到海藻酸钙水凝胶。
38.4、铁空气电池的组装
39.如图4所示，以tio
2-cuo薄膜光电极(1)为空气电极，以铁片(2)为金属电极，以海藻酸钙水凝胶(3)为电解质。用泡沫胶(4)将空气电极和铁片固定，组装成铁空气电池。铁空气电池的器件实物组装图如图5。
40.(二)性能测试
41.1、交流阻抗和充放电性能测试
42.方法：利用电化学工作站分别在光照和黑暗条件下测得铁空气电池的交流阻抗和充放电性能。结果如图2和图3所示。
43.由图2可见，测得光照条件下充电电压1.45v，放电电压为1.28v；黑暗条件下充电电压2.5v，放电电压为1.2v。
44.由图3电化学阻抗图谱可见，与黑暗条件相比，光照条件下tio
2-cuo电极的eis曲线半径小，说明光照条件下电荷载流子的转移速度更快，整个电池的电阻降低。
45.2、电池性能实验
46.将两节本发明的基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池串联在一起后连接一
个led灯泡，在模拟太阳光照射下，如图6所示，led灯泡被点亮。