一种高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法及应用与流程

本发明属于高性能锌离子电池的制备技术领域，尤其涉及一种高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法及应用。

背景技术：

随着电气工程领域与电子设备的迅速发展，人们对储能设备的性能也提出了更高的要求，锌离子电池由于其稳定性良好、能量密度高等优点受到了储能领域广泛的关注和研究。此外，导电聚合物因为具有较高的电导率、合成方法简单、能效高等优点常被用作电池的电极材料。目前常用的导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，利用其掺杂和脱掺杂特性可有效提高导电聚合物各项储电性能。目前可充电电池虽然已经有了长足的发展，但由于普遍使用水系电解液，电压窗口范围较窄，因此相对容量也较低。另一方面反应过程中氧化还原电位一定，放电电压平台不高。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前可充电电池存在能量密度较低、放电电压平台较低。

解决以上问题及缺陷的难度为：对一个电池来说，电池容量是电池性能的重要指标，它表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压)电池放出的电量，其中理论容量的计算方法为c＝26.8nm/m，n是电子数，m是活性物质质量，m是活性物质分子量。对一个材料来说理论容量不会发生变化，我们希望通过对材料修饰使其尽量接近理论容量，也就是说希望放电时输出更多的功。而这需要通过对材料形貌、电池反应机理、电解液调控等各个方面的设计来实现。

解决以上问题及缺陷的意义为：通过提高放电电压平台，使得在相同放电时间内输出更多功，并且高电压平台对于器件的实际应用有着至关重要的作用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法及应用。

本发明是这样实现的，一种高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法，所述高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法选取聚苯胺掺杂剂和电解液添加剂；改变聚苯胺中的掺杂和合成方法；电解液则以硫酸锌为主体的电解液中加入添加剂并将电解液调整到弱酸性；通过在聚苯胺中加入质子酸掺杂，在碳布上生长成微观结构稳定的导电聚合物材料，由棒状结构交联而成的三维多孔结构。

进一步，所述高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法包括：

第一步，使用砂纸对锌片进行打磨，去除金属锌表面的金属氧化物和其他物质，并使之作为电池阳极；

第二步，制备电池阴极；

第三步，使用植酸锌和七水合硫酸锌配制电解液；

第四步，将锌片作为阳极，碳布作为阴极，电解液组装成锌离子电池。

进一步，所述第二步包括：

(1)将亲水碳布裁剪为1*2cm大小，在保持碳布表面清洁的情况下对碳布称重并记录，将0.286g过硫酸铵溶解于1ml去离子水中，得到a溶液，将0.458ml苯胺溶解于0.921ml的50％植酸溶液和2ml去离子水的混合溶液，得到b溶液；

(2)将a、b溶液分别按比例取共30ul在碳布上聚合2小时；

其中，参与反应的a、b溶液在聚合前均降至0℃，聚合反应在0℃水浴环境下进行；溶液a、b滴加到碳布上时的顺序为：先滴加b溶液再滴加a溶液；

(3)将得到的碳布依次用乙醇溶液和去离子水浸泡清洗。

植酸的掺杂对于聚苯胺来说第一可以使其形成三维微纳米的形貌，第二这个掺杂酸相比其他酸分子量更大在后期氧化还原过程中可以提高还原电位，使得放电平台提高。

进一步，在碳布上所附着导电聚合物应为每平方厘米1mg。

进一步，所述第三步包括：

(1)将七水合硫酸锌溶解于去离子水中配制成1m浓度的液体；

(2)取50ml溶液，加入0.0866g植酸锌并加入0.5ml的50％植酸溶液在室温下搅拌12小时。

加入植酸锌，因为这样才能保证在氧化还原过程中有足够的植酸存在。

本发明的另一目的在于提供一种由所述电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法制备的聚苯胺锌离子电池。

进一步，所述聚苯胺锌离子电池在测试与使用时充电直流电压为2v，充电直流电流为5a/g～10a/g。

本发明的另一目的在于提供一种无人机，所述无人机安装有所述的聚苯胺锌离子电池。

本发明的另一目的在于提供一种机器人，所述机器人安装有所述的聚苯胺锌离子电池。

本发明的另一目的在于提供一种智能终端，所述智能终端安装有所述的聚苯胺锌离子电池。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明为提高聚苯胺锌离子电池的电压平台，本发明从选取合适的聚苯胺掺杂剂和优化电解液添加剂两方面入手。首先，导电聚合物的改进方法主要为改变聚苯胺中的掺杂和合成方法，从而达到提高材料电导率和避免充放电过程中电极材料结构坍塌的目的。其次，优化电解液则主要是在以硫酸锌为主体的电解液中加入特定比例的添加剂并将电解液调整到弱酸性，一方面抑制锌电极表面枝晶生长和防止掺杂以沉淀形式析出，另一方面电解液中加入大分子掺杂可以有效缓解聚苯胺电极结构的坍塌，提高氧化还原电位，使放电平台得以提高。

本发明通过在聚苯胺中加入质子酸掺杂，在碳布上生长成微观结构稳定的导电聚合物材料，由棒状结构交联而成的三维多孔结构具有良好的稳定性、较大的比表面积和较高的电导率，不仅提高了电池的比容量，还有利于充放电电压的提高，提高了电池的充放电速度。高电压的导电聚合物锌离子电池的高放电电压窗口在实际应用中将有效减少电池串联使用。

表1高聚物锌离子电池与普通锌离子电池对比结果

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的聚苯胺的sem(scanningelectronmicroscope,扫描电子显微镜)图。

图3是本发明实施例提供的高聚物锌离子电池伏安特性曲线示意图。

图4是本发明实施例提供的高聚物锌离子电池的恒流充放电曲线示意图。

图5是本发明实施例提供的高聚物锌离子电池的电化学阻抗曲线示意图。

图6是本发明实施例提供的高聚物锌离子电池原位拉曼测试曲线示意图。

图7是本发明实施例提供的掺杂后聚苯胺的傅里叶变换红外光谱示意图。

图8是本发明实施例提供的高聚物锌离子电池与普通锌离子电池的恒流充放电对比示意图。

图9是本发明实施例提供的线型锌离子电池的恒流充放电曲线示意图。

图10是本发明实施例提供的线型锌离子电池实施例照片。

具体实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法包括以下步骤：

s101：使用砂纸对锌片进行打磨，去除金属锌表面的金属氧化物和其他物质，并使之作为电池阳极；

s102：制备电池阴极；

s103：使用植酸锌和七水合硫酸锌配制电解液；

s104：将锌片作为阳极，碳布作为阴极，电解液组装成锌离子电池。

本发明提供的高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法仅仅是一个具体实施例而已。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提供的高电压平台的聚苯胺锌离子电池的制备方法采用聚苯胺、碳布、锌片，具体包括如下步骤：

步骤一：使用砂纸对锌片进行打磨，去除金属锌表面的金属氧化物和其他物质，并使之作为电池阳极。

步骤二：制备电池阴极，具体包括如下步骤：

(1)将亲水碳布裁剪为1*2cm大小，在保持碳布表面清洁的情况下对碳布称重并记录，将0.286g过硫酸铵溶解于1ml去离子水中，得到a溶液，将0.458ml苯胺溶解于0.921ml的50％植酸溶液和2ml去离子水的混合溶液，得到b溶液；

(2)将a、b溶液分别按比例取共30ul在碳布上聚合2小时；

其中，参与反应的a、b溶液在聚合前均降至0℃，聚合反应在0℃水浴环境下进行；溶液a、b滴加到碳布上时的顺序为：先滴加b溶液再滴加a溶液。

(3)将得到的碳布依次用乙醇溶液和去离子水浸泡清洗；

步骤三：使用植酸锌和七水合硫酸锌配制电解液，具体包括如下步骤：

(1)将七水合硫酸锌溶解于去离子水中配制成1m浓度的液体；

(2)取50ml上述溶液，加入0.0866g植酸锌并加入0.5ml的50％植酸溶液在室温下搅拌12小时；

步骤四：将锌片作为阳极，步骤二(3)中所得碳布作为阴极，与步骤三(2)中所得电解液组装成锌离子电池。

优选的，在步骤二(3)中，在碳布上所附着导电聚合物应为每平方厘米1mg。

优选的，在电池测试与使用时充电直流电压为2v，充电直流电流为5a/g～10a/g。

其中，图2为聚苯胺的sem(scanningelectronmicroscope，扫描电子显微镜)图。

高聚物锌离子电池伏安特性曲线如图3所示。

高聚物锌离子电池的恒流充放电曲线如图4所示。

高聚物锌离子电池的电化学阻抗曲线如图5所示。

高聚物锌离子电池原位拉曼测试曲线如图6所示。

掺杂后聚苯胺的傅里叶变换红外光谱如图7所示。

高聚物锌离子电池与普通锌离子电池的恒流充放电对比曲线如图8所示。

组装好的线型锌离子电池的恒流充放电对比曲线如图9所示。

组装好的线型锌离子电池如图10所示。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。