锌空气电池PVA-KOH聚合物电解质制备及改性文献综述

 2021-10-21 17:18:41

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文 献 综 述

1.1引言

二十世纪之后，全球的科技及工业得到迅速发展，随之而来的是能源的短缺和环境的污染。新兴清洁能源的开发利用和储能提升成为人们的研究重点。金属空气电池具有较高的比能量和比功率，可满足人们日益增长的能源需求。与此同时，它还具有资源丰富、成本低、容量大、绿色环保等特点，是十分有发展前景的新兴能源。在各类金属空气电池的研究中，因为锌空气电池（ZABs）表现高的理论比能量(1086Wh/kg)[1]，并且阳极物质锌价格低廉且是环境友好型材料，所以它受到人们的广泛关注。由于KOH溶液具有良好的离子导电性、高氧气扩散速率、低粘性、高流动性，可以更好的溶解溶液与空气中的CO2生成的碳酸盐，因此目前大部分的锌空气电池采用KOH溶液作为电解液。但是KOH溶液还存在容易干涸、泄漏、腐蚀电极且适用温度范围窄等缺点[2]，限制了锌空气电池的应用。然而，凝胶聚合物电解质（GPE）由于内部对流弱，电解质对电极的侵蚀减弱，可以延长电池的循环寿命；凝胶态可以解决液态电解质的泄漏问题，提高电池的安全性；凝胶态吸液量多，所以离子电导率高，对电极的润湿效果好，阻抗小，可提高电池的循环性能等优点，有望克服KOH溶液带给锌空气电池的部分问题。常用的凝胶聚合物电解质基体有PVA（聚乙烯醇）基、PEO（聚氧化乙烯）基、PAA（聚丙烯酸）基等[3]。PVA基化学性质稳定，具有较好的离子电导率，且较其他两种基体具有更好的机械性能，价格更加低廉，更加易于制备，可应用于锌空气电池之中。

尽管PVA-KOH聚合物电解质显示出诸多优势，但它仍有以下缺点：(1)由于金属空气电池的半开放体系和空气电极侧存在蒸发现象，PVA-KOH聚合物电解质膜在空气中容易深度失水变形、变脆，大幅度降低电解质膜的电化学性能[4-5]；（2）PVA基体交联结构紧密，对液体电解质的吸收效果差；（3）若凝胶聚合物电解质中KOH的浓度较低（2M），其离子电导率也会降低（10-410-3S/cm）[5]。(4)加入增塑剂后的凝胶聚合物电解质虽然离子电导率提升，但是机械性能下降，聚合物会发生膨胀，高温下液态电解质泄漏，溶剂渗析使得电池短路[6]。为进一步改善PVA-KOH聚合物电解质的性能，本课题希望在成功制备PVA-KOH聚合物电解质的基础上，通过掺杂纳米氧化物对聚乙烯醇碱性聚合物电解质进行改性，并组装成锌空气电池，从而得到具有高的安全性、充放电容量和优异循环寿命等电化学性能的锌空气电池。

1.2 锌空气电池的简介

1868年，勒克朗谢首次发现在未浸泡在电解液中的潮湿电极可与氧气发生还原反应，使得电池的性能提升。1879年，Maiches首先制备出电流密度很小的锌空气电池，负极为锌片，正极由贵金属铂粉制备，电解液为NH4Cl水溶液。后经科学家的不断研究，于1932年开始商业化生产，主要用于无线电通讯和铁路信号。20世纪50年代出现第一个机械可再充锌空气电池，随后出现高能量的锌空气纽扣电池，70年代之后，被应用于听诊器、手表等小型设备上，并成熟的商业化生产与应用在助听器电源市场。近年来，柔性锌空气电池研究也取得进展，具有轻巧、超薄、可弯曲、可扭曲、可拉伸或可穿戴的特性。

1.2.1 锌空气电池的组成及工作原理

锌空气电池的阳极为金属锌、阴极为空气、电解质溶液为碱性水溶液，通过电解质溶液中的氢氧根离子在电极间移动形成闭合回路产生电能。锌空气电池的结构如图1所示。

图1.锌空气电池的结构

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