[发明专利]一种有效抑制锌枝晶的凝胶电解质及其制备方法与应用

说明书

本发明隶属于储能材料领域，涉及水系锌离子电池；具体为一种有效抑制锌枝晶的凝胶电解质及其制备方法与应用。通过将纳米尺寸的锂皂石引入聚合物水凝胶中聚合成凝胶电解质，利用锂皂石会吸引聚合物长链的特性，可以有效提高复合凝胶电解质的机械强度；利用锂皂石在水体系中的带电特性，引导锌离子的均匀沉积。同时本发明还提供上述有效抑制锌枝晶的凝胶电解质的制备方法，该方法工艺简单，适合工业化，且制备得到的凝胶电解质可以有效抑制锌枝晶和副反应；该凝胶电解质与MnO₂@8%rGO正极和电沉积锌@碳布阳极组成的柔性准固态ZIB，在剪切和弯曲的恶劣环境下可以为电子显示器稳定供电。

技术领域

本发明隶属于储能材料领域，涉及水系锌离子电池；具体为一种有效抑制锌枝晶的凝胶电解质及其制备方法与应用。

背景技术

柔性可穿戴电子设备的发展引发了对具有灵活性、安全性和高性能等特殊特性的电池的广泛研究。与液态电解质的刚性电池相比，固态电池更有利于高柔韧性、高耐磨性和防漏电性能的设计加工。在过去的几十年中，锂离子电池(LIB)凭借高能量密度占据了储能设备的主导地位。然而，要将其应用到柔性储能装置非常具有挑战性。近年来，水系锌离子电池（ZIBs）作为一种很有前途的储能电池崭露头角。由于水系锌离子电池成本低、所需材料资源丰富、环境友好，有望替代LIBs进行大规模应用。准固态电池由正极、负极（锌金属）、准固体电解质和集电器四种成分组成。水凝胶电解质作为一种准固态电解质夹在正极和负极之间，对整个电池的性能产生着显著影响。

目前，各种凝胶电解质已经被研究并应用于ZIBs。然而，因为凝胶电解质的离子电导率较低，准固态锌离子电池的性能仍然无法与使用液体电解质的电池相媲美，尤其是高倍率性能。但是凝胶电解质能否有效抑制反应过程中的副反应与锌枝晶，同时如何使凝胶电解质具有良好的柔韧性、机械强度和较高的离子电导率，是现阶段水系锌离子电池存在的主要问题。Chen等人使用棉花、原硅酸四乙酯（交联剂）和甘油（防冻剂）设计了一种具有高离子电导率和高拉伸强度的凝胶电解质，可以显着抑制锌枝晶和副反应；但是其机械强度不够强。Xu等人报道了一种基于纤维素纳米纤维（CNF）-聚丙烯酰胺（PAM）的水凝胶电解质，具有高拉伸性能和强机械稳定性；但是对副反应和锌枝晶抑制作用不强。因此，设计和合成具有高离子电导率、机械和电化学性能的聚合物电解质对于ZIBs非常重要。

发明内容

针对水系锌离子电池在循环过程中伴随副反应的发生和严重的锌枝晶，进而影响锌离子电池循环稳定性的问题，本发明提供一种有效抑制锌枝晶的凝胶电解质，通过采用纳米尺寸的锂皂石引入聚合物水凝胶中聚合成凝胶电解质，利用锂皂石会吸引聚合物长链的特性，可以有效提高复合凝胶电解质的机械强度；利用锂皂石在水体系中的带电特性，引导锌离子的均匀沉积。

同时本发明还提供上述有效抑制锌枝晶的凝胶电解质的制备方法，该方法工艺简单，适合工业化，且制备得到的凝胶电解质可以有效抑制锌枝晶和副反应；该凝胶电解质与MnO₂@8%rGO正极和电沉积锌@碳布阳极组成的柔性准固态ZIB，在剪切和弯曲的恶劣环境下可以为电子显示器稳定供电。

本发明的技术方案如下：

一种有效抑制锌枝晶的凝胶电解质，原料包括：电解质溶液、聚合物水凝胶、锂皂石；具体为将锂皂石在电解质溶液中混合均匀后，在聚合物水凝胶形成过程中加入。

优选地，所述的聚合物水凝胶为：聚丙烯酸、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸水凝胶中的一种；所述的电解质溶液为：硫酸锌、蒸馏水和硫酸锰混合制备而成。

优选地，所述聚合物水凝胶的原料包括聚合物单体、引发剂、交联剂；

所述聚合物单体为：丙烯酸、甲基丙烯酸或丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾，交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；

所述聚合物单体为：六聚乙二醇和甘油，引发剂为二甲氨基吡啶，交联剂为二乙烯基砜；

所述聚合物单体为：聚乙烯醇，引发剂为NaOH，交联剂为环氧氯丙烷。