一种凝胶聚合物电解质、制备方法及使用该电解质的硅空气电池技术

本发明专利技术公开了一种凝胶聚合物电解质、制备方法及使用该电解质的硅空气电池，所述凝胶聚合物电解质为离子液体和聚合物的混合物，所述聚合物为聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯；所述混合物中离子液体的摩尔百分含量为30%～80%。本发明专利技术的凝胶聚合物电解质，将离子液体引入聚合物中，构成电导率高、力学性能好的凝胶聚合物电解质，解决了传统电解质存在的溶剂挥发及漏液的问题，使电池的安全和稳定性得到进一步提高；具有固态电解质的稳定性、可塑性和非流动性的特点，又具有液体电解质的高离子电导率；自放电率小、寿命长，安全可靠、使用温度范围宽、具有大电流放电性，作为新型聚合物电解质，适用于燃料电池、空气电池、锂聚合物电池等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空气电池
，具体涉及一种凝胶聚合物电解质，同时还涉及一种凝胶聚合物电解质的制备方法及使用该电解质的硅空气电池。
技术介绍
金属空气电池是新一代绿色蓄电池，它的制造成本低、无毒、比能量高、原材料可回收利用，性能优越。目前研究较多的金属空气电池有锌空气电池、铝空气电池和锂空气电池等，与产业化最接近的只有锌空气电池。但锌空气电池存在以下问题：锌阳极的氧化及放电时出现枝晶；碱性电解液的碳酸化等。大多数金属空气电池，包括锌空气电池、铝空气电池和铁空气电池利用碱性水溶液，主要是氢氧化钾（KOH）溶液作为电解液，因为这种溶液高的导电率。锌空气电池在1960年和1970年得到了广泛关注，商业化发展的主要是硬币式单体结构，如用做助听器。在过去的十年里，为电动汽车能源提供动力的大型锌空气电池得到研发。然而，与锌空气电池和铁空气电池相比，具有较高理论密度的铝空气电池做为电动汽车合适的电源具有更大的优势，但是，铝阳极严重的自腐蚀速率使得铝空气电池的利用率极低，从而阻止了该电池的发展。具有高能量密度的锂空气电池实际也存在着许多缺陷，例如，锂在碱性电解质中腐蚀严重，以及安全问题仍然未得到有效解决。此外，锂空气电池在空气/水环境中容易钝化，工作电流密度通常很低（≤100μΑ/cm2）。1996年，研究人员报道了基于聚合物电解质二次锂空气电池。这个电池显示开路电位约-3V、工作电压范围在2到2.8V；然而，良好的电化学性能只能保持几个循环周期。电解质是电池的重要组成部分，起着在正负极之间输送和传导电流的作用，因此电解质的选择很大程度上决定着电池的工作机制，影响电池的比能量、放电性能、安全性、储存性能和造价等。电解质与电极材料一样，也是空气电池的关键材料。传统金属空气电池的碱性或中性电解液易挥发，易碳酸化，不易储存，易泄漏，造成电池密封困难；电池在长期工作过程中性能下降，使用寿命缩短，容易带来安全隐患，已无法满足新一代空气电池的要求。为了满足动力电源对金属空气电池的高容量化、高能量密度化、高功率化、长寿命化、安全型的要求，新型电极材料和电解液体系的研发刻不容缓。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种凝胶聚合物电解质，解决现有碱性电解质使用寿命短，容易因溶剂挥发及漏液产生安全隐患的问题。本专利技术的第二个目的是提供一种凝胶聚合物电解质的制备方法。本专利技术的第三个目的是提供一种使用上述电解质的硅空气电池。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种凝胶聚合物电解质，所述凝胶聚合物电解质为离子液体和聚合物的混合物，所述聚合物为聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯；所述混合物中离子液体的摩尔百分含量为30%～80%。所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑氟代氢化合物，记为EMI·(HF)2.3F，其中EMI为1-乙基-3-甲基咪唑。1-乙基-3-甲基咪唑氟代氢化合物（1-ethyl-3-methylimidazolium fluoro hydrogenate，EtMeIm(FH)2.3F）的化学式为：C6H11N2F·2.3HF。所述EMI·(HF)2.3F是由氯化1-乙基-3-甲基咪唑（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride，缩写为EtMeImCl，化学式为C6H11N2Cl）与无水HF反应制成的。所述EMI·(HF)2.3F的制备方法为：将10g氯化1-乙基-3-甲基咪唑放入反应器中，再加入50ml的无水氢氟酸（HF），反应得透明黄色的液体，即为1-乙基-3-甲基咪唑氟代氢化合物。所述氯化1-乙基-3-甲基咪唑使用前经过提纯处理，所述提纯处理是将氯化1-乙基-3-甲基咪唑（EtMeImCl）溶于乙腈中，加入乙酸乙酯生成沉淀，过滤并干燥，即得。所述提纯处理在手套箱中进行并重复操作三次。所述反应器为聚全氟乙丙烯反应管。所述无水氟化氢使用前经过六氟合镍酸钾（K2NiF6）干燥。所述无水氟化氢是通过一个金属真空管加入反应器中的。一种上述的凝胶聚合物电解质的制备方法，包括下列步骤：1）将EMI·(HF)2.3F与甲基丙烯酸-β-羟乙酯（HEMA）混合并搅拌，得混合物A；2）将步骤1）所得混合物A在60～80℃条件下原位聚合8～14h，后冷却至室温，即得网状凝胶聚合物电解质。一种使用上述的电解质的硅空气电池，该电池包括阳极、阴极和电解质，所述阳极为单晶硅，所述阴极为空气电极提供的氧，所述电解质为凝胶聚合物电解质。所述单晶硅的晶体取向为[100]、[111]或[101]晶向。所述单晶硅为经过掺杂元素掺杂的P-型或N-型单晶硅；所述掺杂元素为Mg、Al、Zn、Ga、P、As或Se。所述空气电极是由催化层、导电镍网和防水透气层压制而成的。所述空气电极的厚度为0.2～0.8mm。所述催化层是由γ-MnO2、活性炭与聚四氟乙烯按重量比0.5～2:2.5～3.5:2.5～4的比例混合后滚压制成的膜层，该膜层的厚度为0.2～0.6mm。所述防水透气层是由聚四氟乙烯和乙炔黑按重量比1～4:0.5～2的比例混合后滚压制成的膜层，该膜层的厚度为0.2～0.5mm。本专利技术的凝胶聚合物电解质中，离子液体为咪唑类EMI·(HF)2.3F，其中EMI为1-乙基-3-甲基咪唑，具有基本不挥发、耐热性高、离子电导率高、化学稳定性高、不燃性或难燃性、物质的溶解力强等优异特性，可替代传统碱性电解液，是新一代电解液材料。本专利技术的凝胶聚合物电解质，由离子液体与聚合物（聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯）混合制成，具有低黏度、高电导率的特性；将离子液体引入聚合物中，构成电导率高、力学性能好地凝胶聚合物电解质，解决了传统电解质存在的溶剂挥发及漏液的问题，使电池的安全和稳定性得到进一步提高；电解液选用凝胶聚合物电解质，既具有固态电解质的稳定性、可塑性和非流动性的特点，又具有液体电解质的高离子电导率；自放电率小、寿命长，安全可靠，是水溶液电解质无法比拟的；同时，与固体电解质相比，又具有使用温度范围宽、大电流放电性等优点；作为新型聚合物电解质，适用于燃料电池、空气电池、锂聚合物电池等。本专利技术的硅空气电池中，阳极单晶体硅的晶体取向选为[100]、[111]、[101]晶向，通过掺杂来提高单晶硅的导电性能，经过锑、磷、砷、硼、铝或镓掺杂，掺杂成为P-型或N-型单晶硅阳极材料。从热力学分析，硅作为阳极材料的硅空气电池具有更大的优越性，因为硅的电化学当量为3816A·h/kg，而锌电化学当量为1350A·h/kg，铝的电化学当量为2980A·h/kg，锂为3860A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述凝胶聚合物电解质为离子液体和聚合物的混合物，所述聚合物为聚甲基丙烯酸‑β‑羟乙酯；所述混合物中离子液体的摩尔百分含量为30%～80%。

【技术特征摘要】
1.一种凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述凝胶聚合物电解质为离子液体和聚合
物的混合物，所述聚合物为聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯；所述混合物中离子液体的摩尔百分含
量为30%～80%。
2.根据权利要求1所述的凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述离子液体为1-乙基-3-
甲基咪唑氟代氢化合物，记为EMI·(HF)2.3F，其中EMI为1-乙基-3-甲基咪唑。
3.根据权利要求1或2所述的凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述EMI·(HF)2.3F
是由氯化1-乙基-3-甲基咪唑与无水HF反应制成的。
4.一种如权利要求1所述的凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于：包括下列
步骤：
1）将EMI·(HF)2.3F与甲基丙烯酸-β-羟乙酯混合并搅拌，得混合物A；
2）将步骤1）所得混合物A在60～80℃条件下原位聚合8～14h，后冷却至室温，即
得网状凝胶聚合物电解质。
5.一种使用如权利要求1所述的凝胶聚合物电解质的硅空气电池，其特征在于：该
电池包括阳极、阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：马景灵，文九巴，王喜然，张清，李全安，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41