[发明专利]一种基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池及其制备方法。是以TiO₂‑CuO薄膜光电极作为空气电极，铁片作为金属电极，海藻酸钙水凝胶作为电解质组成的铁空气电池。本发明所制备出的TiO₂‑CuO光辅助材料具有优异的光催化活性和稳定性，本发明通过引入太阳光，降低了铁空气电池的充电电压，提高了铁空气电池的放电电压。另一方面，本发明实现了太阳能、化学能和电能三者之间的转化，为可充电的铁空气电池开辟了新的途径。此外，用水凝胶电解液替代了传统的水溶液作电解质，解决了传统电池的漏液问题，为电子设备的发展提供了一条新的途径。

技术领域

本发明属于金属空气电池技术领域，具体涉及一种基于半导体光电极材料和凝胶态电解质的铁空气电池。

背景技术

能源一直以来都是人类研究发展的重要课题，而电池作为一种能源的重要载体获得了广泛关注。其中最常见的电池就是锂离子电池，锂离子电池因循环寿命长，低温放电性能好，并且比能量高等特点受到了广泛的应用。但是锂离子电池存在危险性高，储量少、开采难度大等缺陷。因此需要一种更高效廉价的电池来代替锂离子电池。而金属空气电池的出现就正好弥补这一点缺失。

另一方面，随着化石燃料衍生物的不断耗尽，开发并利用丰富、清洁的可再生能源成为了当代能源发展的迫切需求。其中太阳能作为饱受关注的清洁能源之一，有着广阔的开发前景。而此时，基于光催化技术的光辅助金属空气电池逐渐走进人们的视野。金属空气电池由金属电极，空气电极以及电解质溶液组成。金属-空气电池由于具有理论能量密度高、环境友好、低成本等特点，被认为是极具发展潜力的新能源技术。

铁(Fe)是含量第四丰富的元素，也是一种低价、环保的阳极材料。因此，就材料成本而言，铁-空气电池更有利。而且，Fe更耐腐蚀，会相对降低自放电率。因此在各种金属空气电池中，铁-空气电池因能量密度较高、环境友好、含量十分丰富以及优异的安全性，受到了广泛关注。许多电化学装置中都引用了光能，但光能在铁空气电池系统中的应用却很少。因此将光能引入到铁空气电池当中，可以充分利用太阳能，并实现太阳能到电能的转换。同时用半导体光电极材料来替代贵金属电极，这一举措可以显著降低铁空气电池的成本。另外传统空气电池通常选择水系电解液，其存在漏液以及不易携带的问题。而凝胶态电解液存在导电率差，且长时间测量时固态电解液容易变质影响使用，因此需要进一步探究。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明利用水热法、电化学沉积法以及煅烧的方法制备了具有优异光催化活性的TiO₂-CuO薄膜光电极材料，并用凝胶态电解液取代传统的水系电解液作为铁空气电池的电解质。本发明提供的铁空气电池在光照条件下能够降低铁空气电池的充电电压，提高铁空气电池的放电电压。实现了太阳能、化学能以及电能三者之间的协同转化。

本发明采用的技术方案是：一种基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池，是以TiO₂-CuO薄膜光电极作为空气电极，铁片作为金属电极，海藻酸钙水凝胶作为电解质组成的铁空气电池。

一种基于凝胶态可充放电光辅助的铁空气电池的制备方法，包括如下步骤：

1)TiO₂-CuO薄膜光电极的制备：利用电化学沉积法进行电沉积，将氧化亚铜沉积在TiO₂薄膜上，得到TiO₂-Cu₂O薄膜，然后置于马弗炉中高温煅烧，冷却得TiO₂-CuO薄膜光电极。

优选的，所述TiO₂薄膜的制备方法，包括如下步骤：将去离子水、浓盐酸和钛酸正丁酯混合搅拌至澄清透明，将所得混合溶液和导电基底一同放入高压反应釜中，在170℃下反应4h，冷至室温后取出，去离子水洗涤，室温晾干后，置于马弗炉中，500℃下煅烧2h，获得在导电基底上负载有TiO₂薄膜。

优选的，按体积比，去离子水:浓盐酸:钛酸正丁酯＝7.5:7.5:1。