[发明专利]一种用于水系锌-空气电池的Co-FPOH微球材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于水系锌‑空气电池的Co‑Fe₅(PO₄)₄(OH)₃•H₂O(Co‑FPOH)微球正极材料及其制备方法。制备方法包括：首先将植酸溶解在水中形成水相和将硬脂酸铁与硬脂酸钴溶解在甲苯中形成油相；然后将水相和油依次相转移到聚四氟乙烯内胆中进行水热反应，即可得到Co‑FPOH微球正极材料。本发明制备方法操作简单，不需要复杂设备，成本低廉；制备的Co‑FPOH微球具有均匀的尺寸，微球表面形成粗糙多孔结构。在锌‑空气电池的测试过程中显示出了817 mAh g_zn^‑1的放电容量和167.8 Wh cm^‑2的峰功率密度；在2 mA cm^‑2的电流密度下能循环长达2500 h。

技术领域

本发明涉及水系锌-空气电池电极材料的领域，特别涉及一种用于水系锌-空气电池的过渡金属磷酸盐电极材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展，百姓的生活水平不断提高，如何改善居住环境，增强百姓的生活幸福 感成为了目前最大的民生问题。然而在获取生存所需的必要能源时，却常常伴随着大量的污 染，极大地影响了人们高质量生活的愿景。其中电力主要来源于化石能源的转化，而火电站 发电所剩“余热”被排出到湖泊、大气或海洋中，极有可能会引起热污染，破坏了该区域生 态环境。此外，化石燃料由于其高含碳量，燃烧过程中大量的温室气体二氧化碳的排放是全 球变暖的一个重要因素；伴随燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物和大量粉尘颗粒物又是造成雾 霾的元凶，给人们的生活和健康带来了严重影响。太阳能、风能等作为环境友好的新型可持 续发展能源，为绿色化进程提供了可能。但是光伏发电的高成本和低效率、风力发电的间歇 性以及噪音问题使得该类绿色能源的推进仍然有很长路要走。除此之外，近年来，随着可再 生能源的普及和政策力度的提升，一系列高度集成智能电网以及电动汽车产业开始迅速发 展，因此，电化学能源存储与转换成为了绿色新能源发展的一个重要环节。电化学能源存储 和转换的研究热点包括：一次电池、二次电池、超级电容器、燃料电池和光电化学电池。其 中备受关注的燃料电池作为一种能量转换装置有其独特的优势：直接将化学能转化为电能， 不受卡诺循环的限制，能量转换率高(46％-75％)，环境友好，安全性高。介于传统电容器与 电池之间的特殊能源储备装置超级电容器也具有较大发展潜力，据不完全统计，国内保有量 已超过40万辆全电驱动汽车以及油电混合汽车，并且超级电容器以及二次电池已被主流市 场接受，电动汽车的规模化是大势所趋。然而，随着实际应用化进程的推进，对电化学能源 转化设备的要求也越来越高，只有具备高功率密度、低自放电、快速充放电性能等性能的储 能设备才能真正应对实际应用过程中的挑战，尤其是如何在苛刻的环境下保持体系的转化效 率以及安全性是巨大的挑战，需要全方位地了解其运行机制并采取相应的改良手段。

锌-空气电池（ZABs）是一类特殊的碱性燃料电池，其比能量主要是由负极金属锌所决定。与传统电池相比，它具有更高的比能量（约为普通干电池的5-7倍）。电池体系允许深度放电，工作电流范围很宽（取决于空气电极的析氧反应OER和氧还原反应ORR的反应活性)，且能在-10-70℃的温度范围内正常工作。电池的生产成本低，正极的反应物质是空气中的氧气，而负极活性物质锌来源丰富。最重要的是，不管是电池本身材料还是工作过程中均不会产生污染问题，锌-空气电池从根本上摒弃了传统电池中的铅、汞镉等有毒元素，解决了传统电池的污染问题，符合发展新能源计划的基本要求。作为典型清洁能源转换领域的重要发展方向之一，被广泛应用于小型移动电子设备且在电动汽车、智能电网等中小型规模领域中具有可实用性，该电池体系主要是由三个部分组成：阳极金属 Zn、碱性或中性盐电解液、阴极空气电极。其中空气电极一般由催化层、集流层、疏水层组成。