[发明专利]一种柔性锌-空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性锌‑空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用，该凝胶电解质包括以下质量百分比的组分：丙烯酸15％‑30％、氢氧化钠9％‑18％、木质素磺酸盐0.2％‑1％、电解液1％‑8％、交联剂0.01％‑0.05％、引发剂0.1％‑0.5％，余量为水，所述丙烯酸、氢氧化钠、木质素磺酸盐、电解液、交联剂、引发剂和水共同形成水凝胶体系。本发明的柔性锌‑空气电池凝胶电解质在强碱环境下机械性能好、循环稳定性好。

技术领域

本发明涉及锌-空气电池技术领域，具体而言，涉及一种柔性锌-空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用。

背景技术

随着柔性可穿戴电子产品的发展和兴盛，生产出兼具高能量密度、可靠性和安全性的柔性储能设备势在必行。在各种储能技术中，锌-空气电池因其低廉的成本、环境友好性和较高的理论能量密度(1084Whkg^-1)被认为是极具发展潜力的新型储能器件之一。但传统的锌-空气电池存在的碱性电解液封装后漏液、固态电解质电导率较差致使其循环寿命下降等问题仍是锌-空气电池商用化道路上不可忽视的挑战。

为了兼具液态电解质高离子电导率和固态电解质的安全性，人们开发出新型聚合物凝胶电解质。但目前柔性锌-空气电池凝胶电解质的挑战在于为了保证电池高功率密度输出，凝胶必须浸泡吸收强碱性液体(一般为6mol/LKOH)。强碱通常会破坏聚合物之间的作用力，改变其结构，使得凝胶原有的机械性能下降，无法达到可穿戴电子产品的要求。因此，开发出一种价格低廉、在强碱环境下仍保持较好机械强度、循环稳定性好的聚合物凝胶电解质具有重要的科研和应用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种柔性锌-空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用，该柔性锌-空气电池凝胶电解质在强碱环境下机械性能好、循环稳定性好。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种柔性锌-空气电池凝胶电解质，包括以下质量百分比的组分：丙烯酸15％-30％、氢氧化钠9％-18％、木质素磺酸盐0.2％-1％、电解液1％-8％、交联剂0.01％-0.05％、引发剂0.1％-0.5％，余量为水，丙烯酸、氢氧化钠、木质素磺酸盐、电解液、交联剂、引发剂和水共同形成水凝胶体系。

传统的单一聚丙烯酸钠凝胶在浸泡强碱液后机械性能下降，导电性能一般；本发明通过引入木质素磺酸盐对聚丙烯酸钠(由丙烯酸单体聚合形成)进行改性，由于木质素磺酸盐的网状结构以及其上具有的丰富羟基、磺酸基，可以通过氢键等分子间作用力增强聚丙烯酸网络的机械性能，同时可提高聚合物凝胶吸附电解质的能力，进而提升凝胶电解质的导电性。本发明通过在聚丙烯酸钠凝胶中引入木质素磺酸盐，有效提高了聚合物凝胶电解质的机械性能、吸附强碱电解质能力，进而提升了采用该凝胶电解质组装成的锌-空气电池的各项电化学性能。

进一步地，木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钾、木质素磺酸钙中的一种或几种。更优选地，木质素磺酸盐采用木质素磺酸钠。

进一步地，交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸酐化明胶中的一种或几种。

进一步地，引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或两种。

进一步地，电解液为6mol/L氢氧化钾和0.2mol/L乙酸锌的混合溶液。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的柔性锌-空气电池凝胶电解质的制备方法，包括以下步骤：

(1)按配比将丙烯酸与水充分混合后，在冰浴中缓慢滴加氢氧化钠溶液，搅拌混合；然后将木质素磺酸盐、交联剂和引发剂依次加入到混合溶液中，继续搅拌混合；再将所得溶液超声脱泡处理，得到混合液体；

(2)将步骤(1)所得混合液体注入密封的模具中，热引发单体进行交联反应，形成具有半互穿网络结构的木质素磺酸盐改性聚丙烯酸钠凝胶薄膜；