基于光辅助的半导体空气电池及其制备方法

本发明属于新能源，具体涉及基于光辅助的半导体空气电池及其制备方法。

背景技术：

1、能源日渐枯竭，环境污染问题亟待解决，空气电池凭借着取之不尽的阴极资源优势，以及绿色低廉的成本优势成为最有希望解决能源和环境问题的新一代能源系统。但大多数空气电池具有放电性能不佳，稳定性较差，不能实现大电流放电的缺陷。

2、专利申请cn116487606a公开了一种硅mil-88复合材料作为阳极的硅空气电池及其制备方法，硅/mil-88复合电极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，这种空气电池的实际放电时间得到提升，但放电电压无提升，说明硅空气电池的放电电压性能无提升。

3、专利cn108183242b公开了一种锂空气电池及其正极的制备方法，采用半导体材料覆盖碳布表面制备锂空气电池正极复合材料，该储能设备所储存的能量将达到300wh kg-1，且电池结构能极大的缩小了装置的体积，能有效的适应世界各地的地形地貌，便于分布在不同的区域使用。另一方面，该装置由于省略了通过外电路存储光伏发电的过程，能有效降低了电能的损耗，保证电池具有高效利用太阳能的能力。但该专利采用水热法，刮涂法喷涂法过程繁琐且涂敷均匀程度有限，且该专利采用锂阳极作为反应物，反应剧烈，安全性有限。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺点，本发明提供基于光辅助的半导体空气电池及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、(1)将半导体材料清洗，然后进行刻蚀处理，随后置于浓硝酸中静置，得到阳极；

5、(2)将空气催化剂与异丙醇、萘酚混合后，涂敷在导电复合基底表面得到阴极；

6、(3)将凝胶聚合物放置在1～6m koh溶液中浸泡至饱和状态得到凝胶电解质；

7、(4)将包装材料和阴极进行重叠开设透光孔；然后按照包装材料、导电材料、阳极、凝胶电解质、开设透光孔的阴极和开设透光孔的包装材依次叠放组装，半导体空气电池外侧使用包装材料包裹固定，形成基于光辅助的半导体空气电池。

8、作为本发明的优选实施方案，所述半导体材料为硅、锗或其它改性后具有光响应的金属或半导体。

9、更优选的，所述半导体材料为硅或锗。

10、作为本发明的优选实施方案，所述步骤(1)中，硅的清洗具体为使用水清洗硅片后，放入甲醇溶液中超声清洗，然后放入乙醇中超声清洗，随后浸入体积比为3:1的浓硫酸过氧化氢混合液中清洗后，放入体积比1:3的氢氟酸与水混合液中清洗，最后分别在甲醇和乙醇中超声；锗的清洗具体为将锗片蒸馏水洗净后放入甲醇溶液中超声，然后在乙醇溶液中超声。

11、作为本发明的优选实施方案，所述步骤(1)中，半导体材料为硅时，刻蚀处理具体为将氢氟酸水溶液中加入硝酸银混合均匀，将清洗后的半导体材料置于其中进行刻蚀。

12、作为本发明的优选实施方案，所述氢氟酸、硝酸银的体积比为8：40。

13、作为本发明的优选实施方案，所述步骤(1)中，半导体材料为锗时，采用本领域常见的技术手段进行刻蚀，更优选的，所述刻蚀手段为激光刻蚀或化学刻蚀。本发明采用废旧的锗片仍能实现光响应现象。

14、作为本发明的优选实施方案，所述空气催化剂质量与异丙醇、萘酚的体积比为(3-5)mg：(100-500)μl：(10～700)μl。

15、作为本发明的优选实施方案，所述空气催化剂为铂碳、tio2、fe2o3、zno、cds、biox(x＝i,br,cl)、bi2wo6、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、mno2、co3o4、nico2o4、lamno3、lanio3或碳纳米管负载的空气催化剂。

16、空气催化剂为加速空气中氧气进行四电子转移路径反应的催化剂。

17、作为本发明的优选实施方案，所述导电复合基底由防水碳布、泡沫镍、ptfe防水层辊压而成。

18、作为本发明的优选实施方案，所述凝胶电解质为将凝胶聚合物放置在1～6m koh溶液中浸泡24～48h至饱和状态；所述凝胶聚合物为paak-m、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、丙烯酸与氢氧化钾丙烯酸甲或黄原胶。

19、作为本发明的优选实施方案，所述paak-m的制备方法包括：将丙烯酸分批次加入氢氧化钾溶液中搅拌，冷却后加入丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵，然后在50～80℃加热10～17min。

20、作为本发明的优选实施方案，所述氢氧化钾物质的量浓度为3-6m；氢氧化钠体积、丙烯酸体积、亚甲基双丙烯酰胺质量与过硫酸铵质量的比值为20ml：(10-30)ml：(0.01～0.2)g：(0.01～0.3)g。

21、本发明还要求保护所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法制备的半导体空气电池。

22、作为本发明的优选实施方案，所述半导体空气电池包括依次叠放组装的包装材料、导电材料、阳极、凝胶电解质、阴极、包装材料，通过在阴极和靠近阴极的包装材料上开设的同心透光孔，将光引入半导体空气电池中，半导体空气电池外侧使用包装材料包裹固定。

23、更优选的，所述半导体空气电池包括至少一个半导体空气电池单元，两层包装材料，半导体空气电池单元串联组装在两层包装材料之间，所述半导体空气电池单元包括依次叠放组装的导电材料、阳极、凝胶电解质、阴极，通过在阴极和靠近阴极的包装材料上开设的同心透光孔，将光引入半导体空气电池单元中，透光孔的数量与半导体空气电池单元的数量一致，半导体空气电池外侧使用包装材料包裹固定。

24、作为本发明的优选实施方案，所述包装材料为医用无纺布或医用胶带，更优选的，所述包装材料为医用无纺布；所述导电材料为304不锈钢。

25、作为本发明的优选实施方案，所述光为自然光或氙灯模拟的太阳光，光强为0.1-15sun。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

27、(1)本发明将具有光响应的半导体作为空气电池阳极，将光能引入半导体空气电池中，整合两种能源系统，结合了光化学和电化学进行能量转换，发挥化学能和太阳能向电能的协同转化作用，最终提升整体电池的性能。

28、(2)本发明采用引入光场的方式提升空气电池性能具有步骤简单、低成本，效果显著，绿色环保；而且当光从阴极经过凝胶电解质进入阳极能够更加明显的提升硅空气电池性能，本发明所述空气电池在无光下表现出较低的电流密度和电压，在光照下展现出了明显的电压提升并实现大电流放电，放电电压性能提升10％以上，功率密度提升6倍以上，且支持数字电子表运行，点亮二极管等用途，多组合的电池在弯折状态下稳定性良好，具有较大的商业应用潜力。

技术特征：

1.一种基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，所述半导体材料为硅或锗；所述包装材料为医用无纺布或医用胶带；所述导电材料为304不锈钢。

3.如权利要求2所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，硅的清洗具体为使用水清洗硅片后，放入甲醇溶液中超声清洗，然后放入乙醇中超声清洗，随后浸入体积比为3:1的浓硫酸过氧化氢混合液中清洗后，放入体积比1:3的氢氟酸与水混合液中清洗，最后分别在甲醇和乙醇中超声；锗的清洗具体为将锗片蒸馏水洗净后放入甲醇溶液中超声，然后在乙醇溶液中超声。

4.如权利要求2所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，半导体材料为硅时，刻蚀处理具体为将氢氟酸水溶液中加入硝酸银混合均匀，将清洗后的半导体材料置于其中进行刻蚀，氢氟酸、硝酸银的体积比为8：40；半导体材料为锗时，采用化学刻蚀或激光刻蚀方法刻蚀。

5.如权利要求1所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，所述空气催化剂为铂碳、tio2、fe2o3、zno、cds、biox其中x＝i,br,cl、bi2wo6、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、mno2、co3o4、nico2o4、lamno3、lanio3或碳纳米管负载的空气催化剂。

6.如权利要求1所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，所述导电复合基底由防水碳布、泡沫镍、ptfe防水层辊压而成；所述空气催化剂质量与异丙醇、萘酚的体积比为(3-5)mg：(100-500)μl：(10～700)μl。

7.如权利要求1所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，所述凝胶聚合物为paak-m、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠或黄原胶。

8.如权利要求7所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法，其特征在于，所述paak-m的制备方法包括：将丙烯酸分批次加入氢氧化钾溶液中搅拌，冷却后加入丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵，然后在50～80℃加热10～17min。

9.权利要求1-8任一项所述基于光辅助的半导体空气电池的制备方法制备的半导体空气电池。

10.如权利要求9所述基于光辅助的半导体空气电池包括至少一个半导体空气电池单元和两层包装材料，半导体空气电池单元串联组装在两层包装材料之间；所述半导体空气电池单元包括依次叠放组装的导电材料、阳极、凝胶电解质、阴极；半导体空气电池外侧使用包装材料包裹固定；通过在阴极和靠近阴极的包装材料上开设的同心透光孔，将光引入半导体空气电池单元中，透光孔的数量与半导体空气电池单元的数量一致。

技术总结
本发明公开基于光辅助的半导体空气电池及其制备方法，属于新能源技术领域。本发明通过将包装材料和阴极进行重叠开设透光孔；然后按照包装材料、导电材料、阳极、凝胶电解质、开设透光孔的阴极和开设透光孔的包装材依次叠放组装形成半导体空气电池。结合了光化学和电化学进行能量转换，发挥化学能和太阳能向电能的协同转化作用，提升整体电池的能量密度，实现大电流放电，并采用不同的构型模式使其能在实际应用中适应各种复杂环境与地形。本发明中所用到的阳极采用了具有光响应特性的半导体材料，在光照情况下能将空气电池的绿色低成本特性与半导体自身的光响应特性有效结合实现性能的提升，兼具了高效及绿色低成本等优点。

技术研发人员：胡素娟,张子璇
受保护的技术使用者：昆明学院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24