一种硅MIL-88复合材料作为阳极的硅空气电池及其制备方法

本发明涉及电池制备，尤其是涉及一种硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池及其制备方法。

背景技术：

1、目前，在各种电池能源中，空气电池由于其反应物为氧分子，在空气中能得到充分的补充所以相对于传统电池和锂电池拥有更高的理论能量密度，因此在原电池中空气电池更受到欢迎。目前，空气电池主要由金属空气电池和半导体空气电池组成，然而金属电池中由于金属沉积不均匀会导致枝晶的生长，枝晶的生长会使电池发生短路从而为火灾留下隐患。而半导体空气电池中的硅空气电池在阳极表面不会生成枝晶，从而杜绝了这类安全隐患的发生。其次，硅空气电池有着较高的理论能量密度(8470wh·kg-1)，而且硅的含量在地壳中位于前列，反应产物为sio2，是常见的一种物质对环境的影响较小可重复利用，所以硅空气电池拥有巨大的发展潜力。

2、然而，在硅阳极表面自腐蚀反应和钝化反应时刻伴随在放电过程中，这两种反应往往会导致阳极的无效损耗和放电过程的提前终止，导致电池实际容量的减少，严重影响着电池的实际应用，所以对硅阳极进行覆膜保护是至关重要的。

3、mil-88是由fe元素为中心构成的三维框架材料，拥有广阔的比表面积和大的孔径。mil-88的孔径可以保证oh-自由的穿梭的同时阻止直径更大的水分子与单晶硅的直接接触，从而降低了自腐蚀反应的进行减少了硅无效消耗。mil-88大的比表面积也为阳极的氧化反应提供了更多的反应位点。此外，mil-88在ph为2～12的环境中仍然可以保持稳定的物理性质。

4、所以，若将mil-88应用在硅空气电池阳极，有望达到降低硅片的无效损耗、抑制钝化反应、延长实际放电时间的效果。如何将mil-88复合到硅阳极表面并组装成硅空气电池成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池及其制备方法，采用油浴的方法在硅片表面形成mil-88棒状晶体，mil-88可以直接阻止硅与水分子的直接接触，有效地抑制自腐蚀反应，同时隔绝了钝化反应生成的sio2直接沉积，延长实际放电时间。

2、根据本发明的一个目的，本发明提供一种硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，包括如下步骤：

3、s1，硅/mil-88复合阳极的制备

4、s101，将fecl3·6h2o与富马酸适量称量放入烧杯，在烧杯中加入去离子水中搅拌得到溶液i；

5、s102，将清洗后的硅片抛光面向上放入溶液i中并加热；

6、s103，加热结束后冷却至室温，取出硅片清洗后进行干燥；

7、s2，koh电解质的制备

8、将称量好的固态koh放入烧杯中，加入适量的去离子水进行搅拌使其加速散热直到烧杯壁不再发烫，将烧杯中的koh倒入容量瓶中进行定容；

9、s3，pt/c阴极的制备

10、称量适量铂碳催化剂置于烧杯中，先用移液枪在烧杯中加入萘酚溶液，然后加入异丙醇；将混有三种物质的烧杯放入超声池中进行超声溶解，将溶解后的溶液用移液枪均匀的涂抹在碳纸上，然后在室温条件下进行干燥制备出pt/c阴极；

11、s4，空气电池的组装

12、将上述所得的硅/mil-88复合阳极和pt/c阴极在空气电池模具上进行组装，再用滴管将koh溶液装入电解池中，得到硅空气电池。

13、进一步地，s1中，fecl3·6h2o与富马酸的摩尔比为0.8～1.2。

14、进一步地，s1中，fecl3·6h2o溶液浓度为10～100mmol/l，富马酸溶液浓度为10～100mmol/l。

15、进一步地，s1中，烧杯中混合物搅拌30～45min得到溶液i。

16、进一步地，s1中，硅片直径为10～70mm，厚度为200～800μm，掺杂类型为砷、硼或磷掺杂；硅片放入烧杯后在95～105℃的环境中加热240～270min；待加热溶液在硅油中自然冷却至18～20℃。

17、进一步地，s1中，待溶液冷却后将烧杯中的硅片取出用无水乙醇和去离子水依次反复冲洗。

18、进一步地，s1中，将清洗后的硅片置于60～80℃的真空环境中干燥10～15min。

19、进一步地，s2中，koh的浓度为1.5～6mol/l。

20、进一步地，s3中，铂碳催化剂的用量为2～5mg，萘酚溶液用量为600～800μl，异丙醇用量为200～400μl。

21、根据本发明的另一个目的，本发明提供一种硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池，采用上述方法制备而成。

22、有益效果

23、本发明可以通过控制fecl3·6h2o和富马酸的用量来控制表面mil-88在硅片表面生长的形貌。使用油浴加热可以提供均匀稳定的加热源，可以使mil-88均匀散落在硅片表面，且不易脱落。采用本发明提供的方法，工艺简单可靠，适合大规模工业化生产。

技术特征：

1.一种硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，s1中，fecl3·6h2o与富马酸的摩尔比为0.8～1.2。

3.根据权利要求1所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，s1中，fecl3·6h2o溶液浓度为10～100mmol/l，富马酸溶液浓度为10～100mmol/l。

4.根据权利要求1所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，s1中，烧杯中混合物搅拌30～45min得到溶液i。

5.根据权利要求1所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，s1中，硅片直径为10～70mm，厚度为200～800μm，掺杂类型为砷、硼或磷掺杂；硅片放入烧杯后在95～105℃的环境中加热240～270min；待加热溶液在硅油中自然冷却至18～20℃。

6.根据权利要求1所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，s1中，待溶液冷却后将烧杯中的硅片取出用无水乙醇和去离子水依次反复冲洗。

7.根据权利要求1所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，s1中，将清洗后的硅片置于60～80℃的真空环境中干燥10～15min。

8.根据权利要求1所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，s2中，koh的浓度为1.5～6mol/l。

9.根据权利要求1所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法，其特征在于，s3中，铂碳催化剂的用量为2～5mg，萘酚溶液用量为600～800μl，异丙醇用量为200～400μl。

10.一种硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池，其特征在于，根据权利要求1-9任一所述的硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池的制备方法制备而成。

技术总结
本发明提供了一种硅MIL‑88复合材料作为阳极的硅空气电池及其制备方法，包括如下步骤：将FeCl<subgt;3</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O与富马酸均匀溶于去离子水中，得到溶液I；将单晶硅放入溶液I后，设置特定的温度、时间在油中加热溶液I。使得在光滑的硅片表面均匀沉积出MIL‑88，之后通过简单清洗、干燥得到硅/MIL‑88复合电极材料。将这种复合材料作为空气电池阳极，KOH水溶液为电解质再结合铂碳阴极组装成新型硅空气电池。通过电化学测试发现，与空白硅片所组装的空气电池相比，这种空气电池的放电电压未发生明显变化，但实际放电时间得到提升。

技术研发人员：于英健,刘泽,张筱晨
受保护的技术使用者：昆明学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13