[发明专利]Pluronic嵌段共聚物基水凝胶电解质及其应用

说明书

本发明涉及热可逆凝胶化水凝胶电解质，具体的说是一种Pluronic嵌段共聚物基水凝胶电解质及其构成的水系二次锌电池及其制备和应用。水凝胶电解质为Pluronic嵌段共聚物、金属盐、水；其中，金属盐在水凝胶电解质中的质量分数为0.1‑90％；Pluronic嵌段共聚物在水凝胶电解质中的质量分数为0.5‑80％；水在水凝胶电解质中的质量分数为0.5‑80％。本发明的Pluronic嵌段共聚物基水凝胶电解质制备工艺简易，离子电导率高，可实现锌电极的可逆溶出/沉积反应以及锂电池和钠电池正极材料的离子嵌入/脱出；与此同时该水凝胶电解质具有热可逆凝胶化特性，通过简单的温度调节来控制溶胶态和凝胶态之间的可逆转换，以此实现与电极材料之间的充分接触，提高界面稳定性和长循环性能。

技术领域

本发明涉及热可逆凝胶化水凝胶电解质，具体的说是一种Pluronic嵌段共聚物基水凝胶电解质及其构成的水系二次锌电池及其制备和应用。

背景技术

锂离子电池已经在笔记本电脑、移动电话和摄像机等便携式器件的应用中取得了巨大的成功，并且有望进一步应用于电动车及大型电网储能系统。然而，其成本较高，安全性差及对环境影响的关键问题不容忽视。基于安全性及材料资源等因素，相应的替代电池体系也层出不穷。同时，利用水系电解质替代传统有机电解质可获得更高的离子导电性及安全性，电池体系更加环保且操作条件更加简单。针对上述考虑，水系锌电池相比于其他电池体系具有更大的优势。锌基电池是一类基于锌元素为负极活性材料的电池体系，自Leclanche电池和Daniel电池的发明以来一直在人类社会储能器件中占有一席之地。虽然相比于金属锂(-3.04V)，锌的还原电位只有-0.76V且比容量为820mAh/g，但是锌基电池拥有许多专属的优点：(1)锌的资源丰富，价格低廉；(2)锌元素无毒，稳定，生物亲和性高；(3)锌金属及电极可以稳定存在于氧气和潮湿环境中，操作成本低，且可使用水系电解质，使用安全性颇高；(4)锌基电池器件具有高的能量密度。由于成本和资源的优势，对于锌基电池的研究往往集中在Zn-air，Zn-Ni，Zn-Ag电池等，尤其是应用广泛的Zn/MnO₂的电池体系。鉴于电池科学正向着更加绿色环保及可持续的方向发展，近年来对于中性(弱酸性)电解质体系的锌基电池的关注度不断增加。但是，大多数的锌电池也存在明显的缺陷：(1)循环寿命差，水系体系的容量衰减严重且内部的微短路现象明显；(2)水系电解液不稳定，流动性大，电池器件需要密封；(3)锌电极在水系电解液热力学不稳定，副反应较多。

固态电解质可以有效地解决电池电解液流动性大和不稳定的问题。基于不同聚合物电解质(PEO-ZnBr₂/ZnCl₂、PEO-KOH、PVA-proton/iodide)的一次固态锌电池得到了较多的关注。然而，兼顾于锌电极可逆的沉积/溶解反应及Zn²⁺有效传输的固态聚合物电解质非常少见，并且相应的离子导电性较低。凝胶聚合物电解质是一类将聚合物、金属盐和一定量的溶剂进行混合，具有液体级别离子导电性，同时保持固态体系尺度稳定的电解质体系。低分子量且具有高介电常数的溶剂一般被认为是充当塑化剂的作用。当水作为塑化剂时，形成的凝胶态的电解质往往被称为“水凝胶聚合物电解质”。水凝胶三维网络的形成主要依赖于聚合物链之间的化学交联或者物理相互作用，同时通过表面张力将水分子束缚于聚合物网络中。基于PEO、PAA和PVA的水凝胶电解质体系由来已久，尤其在水系超级电容器中得到了广泛的研究。但是，目前的水凝胶电解质体系仍然存在问题：(1)由于凝胶化的过程中，电解质体系的粘度不断上升，离子迁移往往受到限制，电导率较低；(2)由于粘度较大，水凝胶电解质与电极之间不能良好地接触，浸润性较差，造成容量的损失。