一种锌离子电池三元交联凝胶电解质及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种锌离子电池三元交联凝胶电解质及其制备和应用，通过将聚丙烯酰胺、富含羟基的多糖类衍生物、含羧酸根的聚阴离子型天然高分子这三种高分子原料在热引发条件下发生交联聚合反应，得到三元交联水凝胶。本发明专利技术制得的三元交联凝胶电解质具有三层高分子网络交联的分级结构，提供了优异的压缩回弹性能；且通过与离子的静电引力作用引导锌均匀沉积，能够在离子电池中长期充放电循环下保持电化学性能，具有高安全性、低成本的优势，在电池中有重要的应用前景。池中有重要的应用前景。池中有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种锌离子电池三元交联凝胶电解质及其制备和应用


[0001]本专利技术属于化学电源领域，具体涉及到一种锌离子电池三元交联凝胶电解质及其制备和应用。

技术介绍

[0002]可充电水系锌离子电池因其无毒、相对安全、成本较低等优势而日益受到人们的关注。但在水系液态电解质中，锌离子电池的充电/放电过程由于Zn
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电镀/剥离，锌阳极表面不可避免地会生长锌枝晶。这些尖锐的锌枝晶如果不能有效抑制，最终将穿透电解液隔膜，导致电池短路和故障。为了抑制锌枝晶生长，研究人员报道了一系列解决策略，如引入电解质添加剂、对锌负极表面进行涂层改性、锌诱导沉积、物理隔离等等。此外，现有技术常用的水系液态电解质中存在大量的自由水，其引发的副反应会引起正极材料的溶解和结构坍塌，从而导致电池容量的快速衰减。
[0003]电解质作为储能器件的关键组分，是影响器件电化学性能的主要因素之一。当前使用的电解质主要分为液态电解质和固态电解质两大类。液态电解质具有流动性强、不易封装的缺点，并且存在漏液、气胀、爆炸等危险，严重影响了器件使用的安全性。
[0004]固态电解质可以有效解决漏液、爆炸等安全隐患，但是固态电解质的电导率相对较低，电极电解质界面电阻大，严重限制了储能器件的电化学性能。
[0005]针对水系锌离子电池在液态电解质中存在的局限性，相关研究人员起初将解决策略转向了开发应用固态电解质，试图通过减少自由水的比重来缓解正极材料溶解塌陷问题，然而固态电解质由于过高的机械硬度导致不能和电极界面有良好的贴合浸润状态，所以其高界面阻抗使得固态电解质对电池整体容量造成了影响。
[0006]基于以上优缺点，介于固液相状态之间的准固态水凝胶电解质应运而生，水凝胶兼具液体的传输扩散能力和固体的内聚特性，可以很好地综合二者的优点。凝胶态聚合物电解质在很多报道中也被称为半固态电解质，它既能避免液态电解质易泄露的问题，又能保有较高的离子电导率。然而，传统的凝胶电解质并不具有分级结构，这导致它们的机械性能与离子电导率呈负相关关系，无法满足可穿戴设备和柔性储能器件的要求。
[0007]目前报道的大多数凝胶电解质仅考虑单因素对枝晶生长的影响，其处理效果并不明显。
[0008]因此，开发一种具有多层交联网络的分级结构、电导率高、机械性能好，且能够结合多种抑制锌枝晶策略的新型水凝胶电解质对于锌离子电池的发展非常重要。

技术实现思路

[0009]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0010]鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本专利技术。
[0011]因此，本专利技术的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种三元交联水凝胶电解质的制备方法。
[0012]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：一种三元交联水凝胶电解质的制备方法，包括，
[0013]制备前驱体：将丙烯酰胺、富含羟基的多糖类衍生物和含羧酸根的聚阴离子型天然高分子依次加至去离子水中搅拌，超声分散去除气泡，再加入交联剂、引发剂搅拌，得到混合均匀的前驱体；
[0014]制备三元交联水凝胶电解质：将前驱体倒入模具后，加热引发自由基聚合反应，待交联聚合结束后，浸入盐溶液中达到溶胀平衡，即得到三元交联水凝胶电解质。
[0015]作为本专利技术所述三元交联水凝胶电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述富含羟基的多糖类衍生物包括可溶性淀粉、刺槐豆胶、魔芋胶、壳聚糖、黄原胶、卡拉胶中的一种或多种；
[0016]所述含羧酸根的聚阴离子型天然高分子包括海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、明胶、柠檬酸、羧甲基淀粉钠中的一种或多种；
[0017]所述交联剂包括N,N
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亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、过氧化二异丙苯中的一种或多种；
[0018]所述引发剂包括过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或多种；
[0019]所述盐溶液为0.1～5mol/L的硫酸锌和0.01～2mol/L的硫酸锰的混合溶液。
[0020]作为本专利技术所述三元交联水凝胶电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述丙烯酰胺、富含羟基的多糖类衍生物和含羧酸根的聚阴离子型天然高分子三元组合的质量比为1：0.01～0.5：0.01～0.5。
[0021]作为本专利技术所述三元交联水凝胶电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述丙烯酰胺在水凝胶体系中的质量百分比为0.2～20％；所述多糖类衍生物在水凝胶体系中的质量百分比为0.01～10％；所述含羧酸根的聚阴离子型天然高分子在水凝胶体系中的质量百分比为0.01～10％。
[0022]作为本专利技术所述三元交联水凝胶电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述交联剂在水凝胶体系中的质量百分比为0.001～10％；所述引发剂在水凝胶体系中的质量百分比为0.001～10％。
[0023]作为本专利技术所述三元交联水凝胶电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述制备前驱体，其中，磁力搅拌时间为0.1～120h，超声分散时间为0.1～5h。
[0024]作为本专利技术所述三元交联水凝胶电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述制备三元交联水凝胶电解质，其中，加热温度为50～100℃，加热时间为0.1～72h，溶胀时间为0.2～96h。
[0025]本专利技术的另一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种三元交联水凝胶电解质的制备方法制得的产品。
[0026]本专利技术的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种三元交联水凝胶电解质的制备方法制得的产品在制备电池中的应用,包括，以正极
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电解质
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负极“三明治”结构，以三元交联水凝胶体系作为电解质，组装成锌离子电池。
[0027]作为本专利技术所述应用的一种优选方案，其中：所述负极包括金属锌，所述正极材料
包括锰基材料、钒基材料、钴基材料中的一种或多种。
[0028]本专利技术有益效果：
[0029](1)本专利技术公开的三元交联水凝胶电解质能够在锌离子电池中长期充放电循环下保持稳定的电化学性能；由于本专利技术中的水凝胶引入了富含羟基的多糖类衍生物，其交联网络结构中的羟基作为亲水基团可以有效将游离水转变为结合水，使体系中水的活性降低，减少了游离水攻击正极材料所导致的副反应的发生，从而缓解正极材料结构的溶解坍塌问题；此外，本专利技术中的水凝胶引入了含羧酸根的聚阴离子型天然高分子，其交联网络结构中的羧酸钠基团与锌离子产生离子交联，通过离子限制作用引导锌均匀沉积，减少了负极表面锌枝晶的生成，从而本专利技术中的凝胶电解质有效改善了水系锌离子电池的正负电极在传统液态电解质中的局限性。
[0030](2)本专利技术公开的三元交联水凝胶电解质采用聚丙烯酰胺作为高分子骨架，含有多糖类衍生物和含羧酸根的聚阴离子型天然高分子作为多重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三元交联水凝胶电解质的制备方法，其特征在于：包括，制备前驱体：将丙烯酰胺、富含羟基的多糖类衍生物和含羧酸根的聚阴离子型天然高分子依次加至去离子水中搅拌，超声分散去除气泡，再加入交联剂、引发剂搅拌，得到混合均匀的前驱体；制备三元交联水凝胶电解质：将前驱体倒入模具后，加热引发自由基聚合反应，待交联聚合结束后，浸入盐溶液中达到溶胀平衡，即得到三元交联水凝胶电解质。2.如权利要求1所述三元交联水凝胶电解质的制备方法，其特征在于：所述富含羟基的多糖类衍生物包括可溶性淀粉、刺槐豆胶、魔芋胶、壳聚糖、黄原胶、卡拉胶中的一种或多种；所述含羧酸根的聚阴离子型天然高分子包括海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、明胶、柠檬酸、羧甲基淀粉钠中的一种或多种；所述交联剂包括N,N
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亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、过氧化二异丙苯中的一种或多种；所述引发剂包括过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或多种；所述盐溶液为0.1～5mol/L的硫酸锌和0.01～2mol/L的硫酸锰的混合溶液。3.如权利要求1所述的三元交联水凝胶电解质的制备方法，其特征在于：所述丙烯酰胺、富含羟基的多糖类衍生物和含羧酸根的聚阴离子型天然高分子三元组合的质量比为1：0.01～0.5：0.01～0.5。4.如权利要求1所述三元交联水凝胶电解质的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保峰，王瑞琳，张惠惠，王仁馨，胡莹莹，沈军，毛益阳，胡露露，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：