[发明专利]一种锌-空气电池用高稳定性凝胶电解质及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锌‑空气电池用高稳定性凝胶电解质及其制备方法，属于新能源材料领域，该凝胶电解质是由聚合物凝胶吸收含有有机弱酸强碱盐添加剂的低浓度碱电解质水溶液溶胀制备而成。本发明溶质为氢氧化钾、氢氧化钠等强碱以及有机弱酸强碱盐添加剂（甲酸盐、乙酸盐、苯甲酸盐等），有机酸根的存在，使电解液在较低碱浓度的条件下仍能提供电极反应所需的高浓度氢氧根离子，与现有技术相比，采用该发明方法制备的凝胶电解质碱浓度大幅降低，进而显著降低了高浓碱电解质对锌负极的腐蚀。应用上述凝胶电解质的准固态锌‑空气电池，在保证电池稳定运行的同时，抑制了电池的自放电现象。

技术领域

本发明属于新能源材料领域，尤其涉及一种锌-空气电池用高稳定性凝胶电解质及其制备方法。

背景技术

金属锌具有在地壳中储量丰富、环境友好、安全性高等特点，是具有良好前景的一类新能源器件。另外，金属锌的电化学氧化还原窗口在水电解质溶液的稳定电位窗口之内，可以直接作为水电解质电化学器件的负极（Chem. Rev., 2014, 114, 11683-11720）。其中碱性锌负极电池因其具有高电压，比容量高，以及其电解质的高电导率等优点，使用最为广泛。

金属-空气电池作为具有高能量密度的半储能半燃料电池式新能源器件，是目前锂离子电池的有力候选方案。其中锌-空气电池作为水系碱性锌负极的金属-空气电池，具有成本低、安全性高、能量密度高（理论比能量密度可达1084 Wh kg^-1）等特点，具有良好的应用前景，是目前的研究热点之一（J. Power Sources, 2015, 283, 358-371）。为满足便携，安全，柔性可穿戴等需求，固态锌-空气电池应运而生，其作为全固态器件的核心部件为聚合物凝胶电解质。聚合物凝胶电解质的使用也在一定程度上抑制了锌负极上副反应的发生（Science, 2017, 356, 434-437；Science, 2017, 356, 434-437）。

目前常见的用于碱性锌-空气电池的聚合物凝胶电解质主要有聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等。其中聚丙烯酸系列凝胶具有高保水、高吸水性能、高离子电导、良好机械性能且便于加工等特点，是作为聚合物凝胶电解质材料的良好选择（Electrochim.Acta, 2019, 326, 134965；ACS Nano, 2018, 12, 3140-3148）。与传统的碱性液态电解质锌-空气电池面临着同样的问题，为了保证高电导率氢氧化钾浓度在26%-30%之间（Int. J. Energy Res., 2016, 40, 1032-1049），但是在固态碱性锌-空气电池中，强碱溶液腐蚀锌负极形成Zn(OH)₄^2-、氧化锌等，降低了电池容量，严重影响了电池寿命。同时，放电产物逐渐覆盖负极表面使反应难以继续发生。另外，在强碱条件下Zn/ZnO的还原电位要低于析氢电位，析氢副反应的发生也将导致期间整体库伦效率的下降，甚至引发安全问题（Nano Energy, 2020, 70, 104523；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 9377-9381）。在保持电解质以氢氧根离子为主导的高电导率的前提下，降低碱的浓度，实现稳定传导电极反应所需的氢氧根，同时抑自腐蚀反应以及空气中酸性气体引起的副反应，是针对上述问题目前较为有效的解决途径之一。

发明内容

本发明提供了一种锌-空气电池用高稳定性凝胶电解质及其制备方法，在保证电解质的高氢氧根电导率的同时大幅降低了碱的浓度，抑制了锌负极的自腐蚀及自放电，提高了电池整体的循环稳定性以及放电比容量。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种锌-空气电池用高稳定性凝胶电解质，所述凝胶电解质为聚合物凝胶吸收电解质溶液形成；所述电解质溶液为强碱与有机弱酸强碱盐的混合水溶液；所述有机弱酸强碱盐与强碱的物质的量比为(0.05:1)~(1:1)。