[发明专利]一种聚乙烯醇基水凝胶电解质及其制备方法

说明书

本发明属于锌离子电池领域，公开了一种聚乙烯醇基水凝胶电解质及其制备方法，包括以下步骤：S1、聚乙烯醇与植酸水溶液混合，加热使聚乙烯醇溶解；S2、将S1的溶液消泡后冷冻，然后室温解冻，再重复冷冻‑解冻至少两次，得到水凝胶；S3、水凝胶浸泡在碱性溶液中去除酸性组分，接着浸泡在水中去除碱性溶液；S4、将锌盐和锰盐溶于水得到电解液；S5、将S2的水凝胶浸泡在S4的电解液中，得到凝胶电解质。植酸的加入，可与多个聚乙烯醇侧链羟基作用，增强了机械性能，有效减少锌枝晶的生长，提高水凝胶的离子迁移率，减少电池传质内阻；抗冻剂甘油的加入可以使凝胶在低于‑40℃的条件下工作，而且性能保持稳定。

技术领域

本发明属于锌离子电池领域，具体是一种聚乙烯醇基水凝胶电解质及其制备方法。

背景技术

近年来，随着便携式、可穿戴小型设备(手机、笔记本电脑、相机、智能手表和活动追踪器等)的快速发展，需要具备柔性、甚至自修复性新型的能量储存装置，使这些设备在不同的机械形变下(弯曲、折叠、扭曲和拉伸等)保持高质量的性能，或在遭受外部机械刺激时可以自动修复受损部位以延长其使用寿命。因此开发一种柔性、自修复的能量储存设备是至关重要的。

目前，市场上新能源汽车电池主要以锂电池为主，但汽车对安全要求很高，锂电池存在易爆炸、毒性大、成本高、循化性能差等，所以这种化学能源不是最佳的选择。为了寻找更佳优异的新型电池，现在人们开始研究二次水系电池如锌离子电池，其具有一下多种优势。首先，所使用的锌金属负极在水中和空气中是惰性的，且地球上有着丰富的锌资源；其次，锌用作负极具有高的理论容量(约为820mAh g^-1和5855mAh cm^-3)；Zn²⁺/Zn的氧化还原电位较低(-0.762V，与标准氢电极SHE相比)；并且水系电解液不仅成本低、安全性好，还具有比有机电解液高得多的离子电导率。

作为柔性储能器件的关键部分，凝胶电解质在未来柔性的可穿戴领域中将扮演至关重要的作用。有了以上优点，水系锌离子电池将能做成超柔性电池，具有很好的发展前景。相较于液态电解质，固态或准固态电解质由于其固体形态使电解质不易泄露，其安全性和能量密度都有了很大的提升。固态电解质还具有良好的稳定性，包括化学稳定性和电位窗宽稳定性，因此科研人员力求用固态电解质代替原有液态电解液和隔膜，从而提高锂离子电池安全系数，扩大锂离子电池的使用范围。具有液相结构的固态电解质一般称其为凝胶聚合物电解质。

由于水凝胶具有三维网络结构，内部空间大，能够提供足够面积来负载活性物质，因此能够使活性物质暴露出更多的活性位点，吸水和保水能力强，能够吸入大量电解液，因此被研究人员开发用于电池的电极支撑材料和类固态水凝胶电解质。从实际应用角度来看，凝胶电解质需要具备以下性质：高离子电导率、优异的机械性能、较好的自愈合能力、强粘附性、杰出的抗冻耐热性以及一些其他特性。但是凝胶电解质离子电导率较低、电极/电解质界面较差、过电位较高，导致循环过程容量低，电池寿命急速下降。因此需要开发一种电导率高、耐低温的凝胶电解质。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题而提供一种电化学窗口宽、电导率高、具有低温性能、电池循环性能优异的凝胶电解质。

本发明的另一目的是提供凝胶电解质的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种耐低温凝胶电解质柔性锌离子电池。

一种聚乙烯醇基水凝胶电解质的制备方法，包括以下步骤：

S1、聚乙烯醇与植酸水溶液混合，加热使聚乙烯醇溶解；

S2、将S1的溶液消泡后冷冻，然后解冻，再重复冷冻-解冻至少两次，得到水凝胶；

S3、去除水凝胶的酸性组分；

S4、将S3的水凝胶浸泡在电解液中，得到凝胶电解质。