一种柔性锌-空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性锌

【技术实现步骤摘要】
一种柔性锌
‑
空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锌
‑
空气电池
，具体而言，涉及一种柔性锌
‑
空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着柔性可穿戴电子产品的发展和兴盛，生产出兼具高能量密度、可靠性和安全性的柔性储能设备势在必行。在各种储能技术中，锌
‑
空气电池因其低廉的成本、环境友好性和较高的理论能量密度(1084Whkg
‑1)被认为是极具发展潜力的新型储能器件之一。但传统的锌
‑
空气电池存在的碱性电解液封装后漏液、固态电解质电导率较差致使其循环寿命下降等问题仍是锌
‑
空气电池商用化道路上不可忽视的挑战。
[0003]为了兼具液态电解质高离子电导率和固态电解质的安全性，人们开发出新型聚合物凝胶电解质。但目前柔性锌
‑
空气电池凝胶电解质的挑战在于为了保证电池高功率密度输出，凝胶必须浸泡吸收强碱性液体(一般为6mol/LKOH)。强碱通常会破坏聚合物之间的作用力，改变其结构，使得凝胶原有的机械性能下降，无法达到可穿戴电子产品的要求。因此，开发出一种价格低廉、在强碱环境下仍保持较好机械强度、循环稳定性好的聚合物凝胶电解质具有重要的科研和应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种柔性锌
‑
空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用，该柔性锌
‑
空气电池凝胶电解质在强碱环境下机械性能好、循环稳定性好。
[0005]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种柔性锌
‑
空气电池凝胶电解质，包括以下质量百分比的组分：丙烯酸15％
‑
30％、氢氧化钠9％
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18％、木质素磺酸盐0.2％
‑
1％、电解液1％
‑
8％、交联剂0.01％
‑
0.05％、引发剂0.1％
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0.5％，余量为水，丙烯酸、氢氧化钠、木质素磺酸盐、电解液、交联剂、引发剂和水共同形成水凝胶体系。
[0006]传统的单一聚丙烯酸钠凝胶在浸泡强碱液后机械性能下降，导电性能一般；本专利技术通过引入木质素磺酸盐对聚丙烯酸钠(由丙烯酸单体聚合形成)进行改性，由于木质素磺酸盐的网状结构以及其上具有的丰富羟基、磺酸基，可以通过氢键等分子间作用力增强聚丙烯酸网络的机械性能，同时可提高聚合物凝胶吸附电解质的能力，进而提升凝胶电解质的导电性。本专利技术通过在聚丙烯酸钠凝胶中引入木质素磺酸盐，有效提高了聚合物凝胶电解质的机械性能、吸附强碱电解质能力，进而提升了采用该凝胶电解质组装成的锌
‑
空气电池的各项电化学性能。
[0007]进一步地，木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钾、木质素磺酸钙中的一种或几种。更优选地，木质素磺酸盐采用木质素磺酸钠。
[0008]进一步地，交联剂为N,N'
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亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸酐化明胶中的一种或几种。
[0009]进一步地，引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或两种。
[0010]进一步地，电解液为6mol/L氢氧化钾和0.2mol/L乙酸锌的混合溶液。
[0011]根据本专利技术的另一方面，提供了一种上述的柔性锌
‑
空气电池凝胶电解质的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)按配比将丙烯酸与水充分混合后，在冰浴中缓慢滴加氢氧化钠溶液，搅拌混合；然后将木质素磺酸盐、交联剂和引发剂依次加入到混合溶液中，继续搅拌混合；再将所得溶液超声脱泡处理，得到混合液体；
[0013](2)将步骤(1)所得混合液体注入密封的模具中，热引发单体进行交联反应，形成具有半互穿网络结构的木质素磺酸盐改性聚丙烯酸钠凝胶薄膜；
[0014](3)将步骤(2)所得木质素磺酸盐改性聚丙烯酸钠凝胶薄膜浸入电解液中，得到聚合物凝胶电解质。
[0015]进一步地，步骤(1)中，搅拌的时间为0.5h
‑
1h，超声脱泡处理的时间为0.5h
‑
1h。
[0016]进一步地，步骤(2)中，交联反应在恒温烘箱中进行，交联反应的温度为50℃
‑
60℃，交联反应的时间为3h
‑
6h。
[0017]进一步地，步骤(3)中，凝胶薄膜在电解液中的浸泡时间为12h
‑
48h。
[0018]进一步地，步骤(2)中，模具为硅胶垫密封的玻璃模具，模具的形状为平板型，硅胶垫的厚度为0.2mm
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5mm。
[0019]根据本专利技术的又一方面，提供了一种上述的柔性锌
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空气电池凝胶电解质或者由上述的方法制备得到的柔性锌
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空气电池凝胶电解质的应用，将该柔性锌
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空气电池凝胶电解质用于锌
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空气电池中作为电池的电解质。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0021](1)本专利技术提供的半互穿聚合物凝胶电解质可显著改善单一聚合物网络在碱性环境中机械性能差的问题，同时也可以起到电池隔膜的作用；采用该凝胶电解质组装后的柔性锌
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空气电池电化学性能明显得到改善。
[0022](2)本专利技术中引入的木质素磺酸钠具有较好的亲水、耐碱性，不仅可以提升碱性电解液的吸附率，提升凝胶离子电导率，还可以增强凝胶电解质在碱性环境中的稳定性。
[0023](3)本专利技术通过调节和控制木质素磺酸钠的添加量，得到了一种机械性能最好、电学性能最优的柔性锌
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空气电池凝胶电解质(如实施例2)。
[0024](4)采用本专利技术的聚合物凝胶电解质膜，组装而成的柔性锌
‑
空气电池克服了传统液态电解质漏液、封装成本高等问题，循环稳定性大大提升。
[0025](5)本专利技术提供的聚合物凝胶电解质材料价格低廉、绿色安全，制作工艺简单便捷，这对于柔性锌
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空气电池的生产应用有着重要的意义。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的凝胶电解质的结构示意图。
[0027]图2为本专利技术实施例2的凝胶电解质的扫描电镜图。
[0028]图3为本专利技术各实施例及对比例的凝胶电解质的应力应变曲线图。
[0029]图4为本专利技术各实施例及对比例的凝胶电解质在碱液中的溶胀曲线。
[0030]图5为采用本专利技术实施例2和对比例1的凝胶电解质的锌
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空气电池在不同电流密度下的恒流放电图。
[0031]图6为采用本专利技术实施例2和对比例1的凝胶电解质的锌
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空气电池的功率密度测试图。
[0032]图7为采用本专利技术实施例3的凝胶电解质的锌
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性锌
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空气电池凝胶电解质，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：丙烯酸15％
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30％、氢氧化钠9％
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18％、木质素磺酸盐0.2％
‑
1％、电解液1％
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8％、交联剂0.01％
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0.05％、引发剂0.1％
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0.5％，余量为水，所述丙烯酸、氢氧化钠、木质素磺酸盐、电解液、交联剂、引发剂和水共同形成水凝胶体系。2.根据权利要求1所述的柔性锌
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空气电池凝胶电解质，其特征在于，所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钾、木质素磺酸钙中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的柔性锌
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空气电池凝胶电解质，其特征在于，所述交联剂为N,N'
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亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸酐化明胶中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的柔性锌
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空气电池凝胶电解质，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或两种。5.一种权利要求1
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4中任意一项所述的柔性锌
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空气电池凝胶电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按配比将丙烯酸与水充分混合后，在冰浴中缓慢滴加氢氧化钠溶液，搅拌混合；然后将木质素磺酸盐、交联剂和引发剂依次加入到混合溶液中，继续搅拌混合；再将所得溶液超声脱泡处理，得到混合液体；(2)将步骤(1)所得混合液体注入密封的模具中，热引发单体进行交联反应，形成具有半互穿网络结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼，张玉媛，陈阳，谭云，雷雨来，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：