本發(fā)明涉及堿性電池領域，尤其涉及一種提高低溫放電性能的堿性電池及其制備方法。

背景技術：

1、堿性電池是一種以氫氧化鉀溶液為電解液的電化學儲能裝置，因其具備高能量密度、良好的循環(huán)性能和較長的儲存壽命，在便攜式電子設備、照明設備及應急供電領域得到了廣泛應用。

2、然而，堿性電池在低溫環(huán)境下使用時，特別是溫度低于零下20℃時，電解液的溫度低于其冰點，導致出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，冰晶的形成不僅降低了電解液中可移動離子的濃度，還增加了離子遷移阻力，從而降低化學反應的速率，影響了電池的容量和輸出功率，使堿性電池的性能大幅下降，嚴重限制其在低溫條件下的應用，因此，如何突破堿性電池在低溫環(huán)境下的結冰問題，提高電解液的低溫性能并維持電化學反應的活性，成為亟需解決的技術難題。

3、因此，現(xiàn)有技術存在缺陷，需要改進。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種提高離子遷移能力，增強在低溫條件下反應效率的提高低溫放電性能的堿性電池及其制備方法。

2、為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、一種提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，包括以下步驟：

4、s1、制備電池正極環(huán)：電池的正極材料含有以下質量份的組分：金屬摻雜的復合二氧化錳90-110份、粘接劑1-2份、濃度為30-40wt％氫氧化鉀溶液8-12份，將正極材料與水按照質量比為10-15:1的比例攪拌混合形成正極拌粉料，然后通過壓制成型及篩選后得到正極環(huán)；

5、s2、制備電池負極鋅膏：將納米鋅粉、銦粉和鎵粉按質量比為92:4:4進行混合，將混合粉末在氬氣保護下進行機械球磨得到合金化鋅粉，隨后將合金化鋅粉與質量占比為2-4wt％的復合導電添加劑超聲混合，接著在混合物中加入質量占比為10-15wt％的復合粘結劑，攪拌均勻形成漿料，并在漿料內加入質量占比為5-7wt％的抗低溫添加劑，通過高速剪切分散機處理30-60min后，得到負極鋅膏；

6、其中，抗低溫添加劑為質量比6-8:2-3:0.5-1的深共晶溶液、丙三醇和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，所述深共晶溶液為膽堿氯化物和乙二醇按摩爾比為1:2攪拌混合形成的透明液體；

7、s3、將步驟s1得到的正極環(huán)套入至電池鋼殼中，并在正極環(huán)中插入隔膜，隨后向隔膜中注入電解液，通過抽真空消除氣泡后，靜置30-40min待電解液完全浸潤隔膜；

8、s4、將步驟s2得到的負極鋅膏注入電池鋼殼內，插入負極集流體，經(jīng)封口和包裝后得到提高低溫放電性能的堿性電池。

9、采用上述技術方案，金屬摻雜的復合二氧化錳制備過程為：將二氧化錳粉末、碳納米管和石墨烯按質量比為96:2:2的比例混合，加入質量占比20-40wt％的乙醇促進分散；

10、隨后置于超聲波分散儀中處理30-60min，再加入質量占比為1-2wt％的聚吡咯前驅體溶液，在50-60℃下進行原位聚合反應1-2h，從而得到包覆導電聚合物的復合二氧化錳，接著對其進行金屬離子摻雜處理，以得到金屬摻雜的復合二氧化錳。

11、采用上述技術方案，金屬離子摻雜處理的具體工藝為：將包覆導電聚合物的復合二氧化錳以質量體積比為1:50的比例置于濃度為0.1-0.2mol/l的混合金屬鹽溶液中，在105-120℃環(huán)境下溶劑熱反應4-6h，以形成初步摻雜金屬離子的復合二氧化錳；其中，混合金屬鹽溶液含有ni2+、co2+和fe3+金屬離子，且金屬例子的摩爾比為1:1:1，隨后，對初步摻雜金屬離子的復合二氧化錳進行過濾、清洗，并以質量體積比為1:30的比例置于0.5mol/l的六水合硝酸鎳溶液溶液中，在攪拌條件下浸潤6-12h以增強摻雜深度，然后在65-80℃下進行干燥，并在氬氣保護下以525-550℃的溫度煅燒2-3h，以得到金屬摻雜的復合二氧化錳。

12、采用上述技術方案，所述混合金屬鹽溶液的制備過程為：將硝酸鎳六水合物、硝酸鈷六水合物和硝酸鐵九水合物以摩爾比為1:1:1的比例溶解于去離子水，然后攪拌至完全溶解，通過濾膜過濾后得到混合金屬鹽溶液。

13、采用上述技術方案，所述復合導電添加劑為乙炔炭黑和多壁碳納米管的混合物，其中，乙炔炭黑和多壁碳納米管的質量比為3:1。

14、采用上述技術方案，在步驟s2中，所述復合粘接劑的制備過程為：將聚偏氟乙烯和羧甲基纖維素鈉按照質量比為7:3的比例溶于水溶液中，在50-60℃的溫度中攪拌溶解后得到質量濃度為3-5wt％的復合粘接劑。

15、采用上述技術方案，所述聚吡咯前驅體溶液的制備過程為：將吡咯單體加入到去離子水中，經(jīng)攪拌溶解后得到吡咯單體溶液，再加入1mol/l的過硫酸銨溶液，保持室溫攪拌30-40min后得到聚吡咯前驅體溶液，其中，吡咯單體占聚吡咯前驅體溶液總質量的1-2wt％，吡咯單體溶液與過硫酸銨溶液的重量比為1:1.5。

16、采用上述技術方案，在步驟s3中，所述電解液為氫氧化鉀、乙二醇和納米二氧化鋯混合形成的溶液；氫氧化鉀在電解液中的質量百分比為35-45wt％，乙二醇在電解液中的質量百分比為2-3wt％，納米二氧化鋯在電解液中的質量百分比為為0.2-0.5wt％。

17、采用上述技術方案，在步驟s3中，在插入隔膜之前，將隔膜浸泡在包含2-3wt％多巴胺的tris緩沖溶液中，調節(jié)溶液ph為8.5，浸泡時間為10-12h，以在隔膜上形成一層均勻的聚多巴胺涂層，隨后將涂覆有多巴胺涂層的隔膜浸泡在濃度為30-40wt％的氫氧化鉀溶液中4-6h進行預浸潤，經(jīng)干燥后得到預處理的隔膜。

18、本技術方案還提供一種提高低溫放電性能的堿性電池，該提高低溫放電性能的堿性電池采用上述任一種提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法制備而成。

19、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

20、本發(fā)明的正極環(huán)采用金屬摻雜的復合二氧化錳，通過ni2+、co2+、fe3+金屬離子摻雜和聚吡咯涂層，不僅提高材料的導電性和低溫下的電化學活性，還增強了正極的結構穩(wěn)定性和循環(huán)壽命，同時復合導電添加劑的引入，可進一步降低了內阻；負極鋅膏通過納米鋅粉的合金化處理，結合銦、鎵金屬，可顯著降低析氫副反應，并提高鋅的利用率，同時通過抗低溫添加劑降低冰點，提高負極鋅膏在低溫下的反應效率和流動性；電解液中加入乙二醇降低冰點，結合納米二氧化鋯，可有效提升電解液的穩(wěn)定性和離子遷移能力，從而解決了在低溫條件下離子傳導能力不足的問題；隔膜通過多巴胺涂層和氫氧化鉀溶液的預浸潤處理，可增強電解液的浸潤性和離子遷移效率，避免電解液在低溫環(huán)境中阻力增大的問題；整體工藝通過各個材料的協(xié)同優(yōu)化，有效改善了低溫環(huán)境下的離子傳導、電子傳輸和界面穩(wěn)定性，從而提升電池的放電容量、輸出功率和使用壽命，使其在極端低溫環(huán)境中也具有優(yōu)異的放電性能。

技術特征：

1.一種提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，金屬摻雜的復合二氧化錳制備過程為：將二氧化錳粉末、碳納米管和石墨烯按質量比為96:2:2的比例混合，加入質量占比20-40wt％的乙醇促進分散；

3.根據(jù)權利要求2所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，金屬離子摻雜處理的具體工藝為：將包覆導電聚合物的復合二氧化錳以質量體積比為1:50的比例置于濃度為0.1-0.2mol/l的混合金屬鹽溶液中，在105-120℃環(huán)境下溶劑熱反應4-6h，以形成初步摻雜金屬離子的復合二氧化錳；其中，混合金屬鹽溶液含有ni2+、co2+和fe3+金屬離子，且金屬例子的摩爾比為1:1:1，隨后，對初步摻雜金屬離子的復合二氧化錳進行過濾、清洗，并以質量體積比為1:30的比例置于0.5mol/l的六水合硝酸鎳溶液溶液中，在攪拌條件下浸潤6-12h以增強摻雜深度，然后在65-80℃下進行干燥，并在氬氣保護下以525-550℃的溫度煅燒2-3h，以得到金屬摻雜的復合二氧化錳。

4.根據(jù)權利要求3所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，所述混合金屬鹽溶液的制備過程為：將硝酸鎳六水合物、硝酸鈷六水合物和硝酸鐵九水合物以摩爾比為1:1:1的比例溶解于去離子水，然后攪拌至完全溶解，通過濾膜過濾后得到混合金屬鹽溶液。

5.根據(jù)權利要求1所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，所述復合導電添加劑為乙炔炭黑和多壁碳納米管的混合物，其中，乙炔炭黑和多壁碳納米管的質量比為3:1。

6.根據(jù)權利要求1所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，在步驟s2中，所述復合粘接劑的制備過程為：將聚偏氟乙烯和羧甲基纖維素鈉按照質量比為7:3的比例溶于水溶液中，在50-60℃的溫度中攪拌溶解后得到質量濃度為3-5wt％的復合粘接劑。

7.根據(jù)權利要求1所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，所述聚吡咯前驅體溶液的制備過程為：將吡咯單體加入到去離子水中，經(jīng)攪拌溶解后得到吡咯單體溶液，再加入1mol/l的過硫酸銨溶液，保持室溫攪拌30-40min后得到聚吡咯前驅體溶液，其中，吡咯單體占聚吡咯前驅體溶液總質量的1-2wt％，吡咯單體溶液與過硫酸銨溶液的重量比為1:1.5。

8.根據(jù)權利要求1所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，在步驟s3中，所述電解液為氫氧化鉀、乙二醇和納米二氧化鋯混合形成的溶液；

9.根據(jù)權利要求1所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法，其特征在于，在步驟s3中，在插入隔膜之前，將隔膜浸泡在包含2-3wt％多巴胺的tris緩沖溶液中，調節(jié)溶液ph為8.5，浸泡時間為10-12h，以在隔膜上形成一層均勻的聚多巴胺涂層，隨后將涂覆有多巴胺涂層的隔膜浸泡在濃度為30-40wt％的氫氧化鉀溶液中4-6h進行預浸潤，經(jīng)干燥后得到預處理的隔膜。

10.一種提高低溫放電性能的堿性電池，其特征在于，由權利要求1-9任一項所述的提高低溫放電性能的堿性電池的制備方法制備而成。

技術總結
本發(fā)明公開了一種提高低溫放電性能的堿性電池及其制備方法，包括以下步驟：S1：制備正極環(huán)，正極材料由金屬摻雜的復合二氧化錳、粘接劑和氫氧化鉀溶液組成；S2：制備負極鋅膏，將納米鋅粉、銦粉、鎵粉混合球磨成合金化鋅粉，加入復合導電添加劑、復合粘結劑及抗低溫添加劑攪拌分散形成負極鋅膏；S3：將正極環(huán)套入鋼殼中，插入隔膜并注入電解液；S4：注入負極鋅膏，經(jīng)封裝得到成品；本發(fā)明的負極鋅膏通過納米鋅粉合金化可提高鋅利用率，同時通過抗低溫添加劑降低冰點，提高負極鋅膏在低溫下的反應效率和流動性；電解液中的乙二醇結合納米二氧化鋯，可提升穩(wěn)定性和離子遷移能力，從而提升堿性電池在低溫工況下的放電性能和使用壽命。

技術研發(fā)人員：方春,蔣建科,路釗
受保護的技術使用者：郁南虎頭電源科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/4/24