【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半固态电解质材料制备，具体涉及一种磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质及其制备方法和应用。
技术介绍
1、加快可再生能源的勘探和部署，对于缓解灾难性的气候变化、促进可持续发展具有重要意义。然而，像太阳能和风能这样的可再生能源受制于日照、地理位置和季节性变化，因而表现出间歇性特点。因此，必须寻找储存绿色能源的解决方案，以实现其广泛应用。锂离子电池作为一种成熟的电化学储能装置，在能量密度和使用寿命方面具备显著优势。但不幸的是，li、co等稀缺资源、安全问题以及高昂的制造成本限制了锂离子电池在储能领域的广泛应用。近年来，水系电池因其制备方便、资源丰富、安全性高等特点成为储能研究的热点。与碱金属相比，锌金属作为水系电池的阳极具有独特吸引力。这归因于其卓越的比容量（820 mah/g、5851 mah/cm3）、低氧化还原电位（-0.76 v vs she）以及较低的制造成本。然而，要实现高能量密度仍面临挑战，因为正极和负极材料在水系电解质中总是不够稳定。例如，正极材料中的金属离子在循环过程中会逐渐溶解，而锌金属在反复循环过程中易受腐蚀和枝晶的影响。这些问题与水的高化学活性密切相关，严重阻碍了水系锌离子电池的商业化进程。
2、水凝胶电解质可替代传统电池中的液态电解质和隔膜，引导离子的迁移和扩散。水凝胶电解质中的聚合物含有丰富的亲水性基团，如-oh、-cooh、-nh2或-conh2，这些亲水性基团能与水分子形成氢键，增加氢键的数量可以稳定聚合物基质中的水分子，减少水凝胶在应用过程中的氧气或氢气析出反应。由于凝胶电解质
3、针对以上问题，本专利选择使用磷酸锆纳米片为增强剂，增加凝胶电解质的力学强度、离子电导率和界面稳定性。迄今为止，尚未有报道利用磷酸锆二维纳米片作为增强剂制备水凝胶电解质并应用于锌离子电池的研究成果。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质及其制备方法，选择磷酸锆二维纳米片作为无机交联剂，以增强水凝胶电解质的机械强度，制备具有较小厚度的水凝胶电解质，同时提高离子电导率和界面稳定性。
2、为实现上述技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：
3、一种磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，它包括以下步骤：
4、（1）将α-磷酸氢锆、乙醇胺和去离子水混合得到混合液在室温下反应24-48h，随后使用透析袋透析去除未反应的乙醇胺，之后将悬浮液在一定转速下离心分离，离心后的上层液即为磷酸锆纳米片分散液；
5、（2）将磷酸锆纳米片分散液、聚合物单体、引发剂、交联剂和金属盐按比例在室温下混合均匀，得到凝胶电解质前驱体溶液；
6、（3）将上述凝胶电解质前驱体溶液倒入玻璃模具中，在60℃下反应1-5h，反应完成后即得磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质。
7、优选的，所述步骤（1）中混合液中α-磷酸氢锆的质量分数为1-4%，乙醇胺的质量分数为2-8%。
8、优选的，所述步骤（1）中磷酸锆纳米片分散液固含量为0.5-2 wt%。
9、优选的，所述步骤（1）中离心分离转速为10000 rpm/min，时间2min。
10、优选的，所述凝胶电解质前驱体溶液中聚合物单体浓度为2-6 mol/l，引发剂浓度为3-9 mmol/l，交联剂浓度为0.5-1.4mmol/l、金属盐的浓度为2-3 mol/l。
11、优选的，所述聚合物单体为丙烯酰胺或丙烯酸，引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾，交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。
12、优选的，所述金属盐为锌盐、锌盐与锰盐按照摩尔比20:1组成的混合盐或锌盐与锂盐按照摩尔比2:1或1:1组成的混合盐。
13、优选的，所述锌盐为硫酸锌、硝酸锌、高氯酸锌、醋酸锌、氯化锌、三氟甲基磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌的一种或者几种；锂盐为硫酸锂、硝酸锂、氯化锂、高氯酸锂、醋酸锂、三氟甲基磺酸锂、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂的一种或者几种；锰盐为硫酸锰、硝酸锰、氯化锰、高氯酸锰、醋酸锰的一种或者几种。
14、一种磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质，是采用上述的方法制备得到的。本专利技术所制备的磷酸磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质可以应用于水系锌离子电池中，具有良好的应用效果。
15、磷酸氢锆是一种层状材料，磷酸氢锆的层间含有丰富的p-oh活性基团，该基团在水溶液中易失去质子h，使得层板表面带负电荷。磷酸氢锆在使用之前进行剥离处理制备磷酸锆二维纳米片。首先，磷酸锆纳米片表面含有高密度的酸性官能团-po3-，可以与亲水官能团形成氢键，或与带有正电荷的官能团形成静电作用，这些化学和物理交联结构可以共同增强水凝胶电解质的机械强度，从而有利于降低凝胶电解质的厚度。其次，磷酸锆纳米片表面亲锌官能团使其与锌原子或锌负极之间具有较高的结合能，从而调控锌离子溶剂化结构，并增强界面稳定性。最后，将凝胶电解质用于锌离子电池，以抑制正极侧活性物质的溶解，同时抑制负极侧枝晶生长和副产物的产生，延长锌离子电池的循环寿命。
16、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
17、1）磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质制备工艺简单，原料价格低廉，反应过程安全环保，具有规模化生产的潜力。
18、2）磷酸锆纳米片与聚合物可以形成氢键或静电作用，增加水凝胶电解质的机械强度，与单一聚合物凝胶电解质相比，磷酸锆纳米片的添加明显提高了凝胶电解质的拉伸强度和穿刺强度。
19、3）磷酸锆纳米片表面具有亲锌性，聚合物表面的亲水官能团可以固定水分子，在两者协同作用下可以改变锌离子溶剂化结构，从而促进锌离子传输。所制备的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质提高界面稳定性和长循环性能。与传统水系电解液和单一聚合物凝胶电解质相比，磷酸锆纳米片的添加可以抑制锌枝晶的生长，促进锌离子均匀沉积。
20、4）与传统水系电解液和单一聚合物凝胶电解质相比，用磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质构建的高性能锌离子电池，在常温和高温下都表现出较长的循环寿命。
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1.一种磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中混合液中α-磷酸氢锆的质量分数为1-4%，乙醇胺的质量分数为2-8%。
3.根据权利要求1所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中磷酸锆纳米片分散液固含量为0.5-2 wt%。
4.根据权利要求1所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中离心分离转速为10000 rpm/min，时间2min。
5.根据权利要求1所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述凝胶电解质前驱体溶液中聚合物单体浓度为2-6 mol/L，引发剂浓度为3-9 mmol/L，交联剂浓度为0.5-1.4mmol/L、金属盐的浓度为2-3 mol/L。
6.根据权利要求1或5所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述聚合物单体为丙烯酰胺或丙烯酸，引发剂为过硫酸铵
7.根据权利要求1或5所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述金属盐为锌盐、锌盐与锰盐按照摩尔比20:1组成的混合盐或锌盐与锂盐按照摩尔比2:1或1:1组成的混合盐。
8.根据权利要求7所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述锌盐为硫酸锌、硝酸锌、高氯酸锌、醋酸锌、氯化锌、三氟甲基磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌的一种或者几种；锂盐为硫酸锂、硝酸锂、氯化锂、高氯酸锂、醋酸锂、三氟甲基磺酸锂、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂的一种或者几种；锰盐为硫酸锰、硝酸锰、氯化锰、高氯酸锰、醋酸锰的一种或者几种。
9.一种磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质，其特征在于，采用上述权利要求8中所述的方法制备得到的。
10.一种权利要求9所述的磷酸磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质在水系锌离子电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中混合液中α-磷酸氢锆的质量分数为1-4%，乙醇胺的质量分数为2-8%。
3.根据权利要求1所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中磷酸锆纳米片分散液固含量为0.5-2 wt%。
4.根据权利要求1所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中离心分离转速为10000 rpm/min，时间2min。
5.根据权利要求1所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述凝胶电解质前驱体溶液中聚合物单体浓度为2-6 mol/l，引发剂浓度为3-9 mmol/l，交联剂浓度为0.5-1.4mmol/l、金属盐的浓度为2-3 mol/l。
6.根据权利要求1或5所述的磷酸锆纳米片增强复合水凝胶电...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧丽，姜广路，候雪燕，盖上上，杨剑，姜晓蕾，
申请(专利权)人：临沂大学，
类型：发明
国别省市：
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