[发明专利]一种基于吸湿性水凝胶的电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于吸湿性水凝胶的电池及其制备方法，包括多孔正极、多孔负极和介于正负极之间的吸湿性水凝胶，所述吸湿性水凝胶为含有吸湿性金属盐溶液的亲水多孔水凝胶，作为电池的电解质和隔膜。本发明以含有吸湿性金属盐溶液的亲水多孔水凝胶作为电解质和隔膜，利用吸湿性金属盐可以随温度、湿度变化与环境交互进行吸、失水的特性，实现电池在高温下自发锁定，当温度降低时自动恢复，且水凝胶电解质中水的蒸发和再生高度可逆，具有智能响应、结构简单、可循环重复使用等特点，可用于电池的热保护领域。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种基于吸湿性水凝胶的电池及其制备方法。

背景技术

随着无线通信、运输和电子设备的发展，对具有高能量密度和高输出功率电池的需求越来越大。由于高能量密度和高功率输送能力，这些电池在快速充电/放电期间会产生大量的热量。过高的工作温度会使电池性能出现永久性下降，甚至引起爆炸和火灾。电池的热失控日益成为一个严重的安全问题，热保护技术具有重要意义。

传统的电池安全性管理依赖于外部热管理系统。如中国专利CN111267578A所述，该发明基于一种电池热管理系统，包括空调系统和电池换热系统，依靠空调系统对电池进行冷却或加热，保证电池在全天候处于合适的温度范围内。中国专利CN209001072U报道一种电池热管理装置，包括储液罐、泵体、加热制冷器、多个电池模组、管道以及电池管理模块，电池管理模块包括多个温度传感器以及分别与泵体、加热制冷器、温度传感器电连接的控制模块，控制模块接收并根据温度传感器采集的信息控制泵体是否启动及加热制冷器对导热介质的加热或制冷。这种热管理系统结构复杂，添加的组件不仅消耗额外的能量，限制设备空间，而且如果热管理系统在极端情况下失效，则电池将完全不受保护，处于高风险之中。

因此，如何得到具有自身过热保护功能的智能电池，温度过高时电池自动锁定，温度下降时恢复正常，显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于吸湿性水凝胶的电池及其制备方法。该电池在高温状态下自发进行过热保护，低温时自动恢复，具有智能响应、结构简单、可重复使用等特点，可用于电池的热保护领域。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

提供一种基于吸湿性水凝胶的电池，包括多孔正极、多孔负极和介于正负极之间的吸湿性水凝胶，所述吸湿性水凝胶为含有吸湿性金属盐溶液的亲水多孔水凝胶，作为电池的电解质和隔膜。

吸湿性金属盐溶液为可以随温度、湿度变化与环境交互进行吸水、失水的金属盐溶液，吸湿性金属盐溶液能够显著降低水凝胶的饱和蒸气压，调节吸湿性金属盐溶液盐的浓度能够控制水凝胶的蒸发-再生的速率。当电池升温时，水凝胶中的水分快速蒸发，带走电池在运行过程中产生的热量，降低电池的工作温度。同时，水凝胶中水分蒸发能够控制电解质中的离子迁移，水分蒸发到一定程度之后电解质的离子扩散系数迅速降低，离子扩散系数和电导率的降低抑制了离子在正极和负极之间的迁移，电池容量逐渐减小，接近为零时自发停止工作。当温度恢复正常时，水凝胶电解质从空气中吸收水分恢复到初始状态。

按上述方案，所述吸湿盐金属盐溶液为氯化锂溶液、溴化锂溶液、氯化锌溶液、氯化钙溶液或氯化镁溶液。

按上述方案，所述吸湿性金属盐溶液的浓度为2-15mol/L。

按上述方案，所述亲水多孔水凝胶为聚丙烯酰胺水凝胶、聚丙烯酸水凝胶、聚丙烯酸钠水凝胶或聚乙烯醇水凝胶。

按上述方案，多孔正极为负载在多孔导电材料上的二氧化锰、锰酸锌、氧化钌、磷酸铁锂或锰酸锂；多孔负极为多孔金属锌、多孔石墨、负载在多孔导电材料上的金属锌、金属锂、石墨或钛酸锂。

按上述方案，所述多孔导电材料为碳纤维布。