本发明专利技术公开了一种琼脂糖凝胶电解质、其制备方法及其在电池中的应用，琼脂糖或琼脂糖凝胶与溶剂混合后，搅拌同时加热至高温，当混合均匀后，放入低压环境中或静置，排除气泡；在适当温度将液体制作为所需形状，降低温度时，随着液体的凝胶化就可以获得适当形状的凝胶。将凝胶放置在电池所需电解液中长时间浸泡，即可获得所需的凝胶电解质。并将得到的凝胶电解质用于铝空气电池、锌空气电池中。本发明专利技术创造性地将琼脂糖凝胶应用到电池电解质中，具有大范围可调节的固液比例，可以抑制开放式铝空气电池与锌空气电池中的漏液问题；铝负极的利用率可以达到67.1%，达到了目前小型铝空气电池最高的容量密度。
Agarose gel electrolyte, its preparation method and its application in battery
【技术实现步骤摘要】
一种琼脂糖凝胶电解质、其制备方法及其在电池中的应用
本专利技术涉及一种电解质及其制备方法和应用，具体涉及一种凝胶电解质及其在金属空气电池中的应用。
技术介绍
随着人们对新能源汽车需求的提升，对动力电池的性能也提出了更高的要求。锂离子电池的原料成本较高，并且其能量密度也制约了其在电动汽车上的应用，研发具有更低成本、更高能量密度的电池成为了现在新能源材料研发的重点。金属空气电池的负极材料是金属单质，正极材料是催化剂和空气中的氧气。金属单质具有高理论比容量（Al2.98Ahg-1，Li3.86Ahg-1，Mg2.20Ahg-1，Zn0.82Ahg-1），远高于现有锂离子电池负极石墨的理论比容量（0.372Ahg-1），并且其主要正极材料（氧气）可以从空气中获得，因此，金属空气电池可以获得超高的理论质量能量密度。碱性铝空气电池的理论电压达到2.7V，理论质量能量密度为8.1kWhkg-1，远高于现有的锂离子电池（0.31kWhkg-1）。并且，由于金属铝在地壳中的储量在所有金属中最高，具有低成本、高理论比容量以及安全无毒等特点，使其在金属-空气电池中受到特别关注。而锌空气电池也因为其具有较高的理论比容量，以及一定程度的充放电循环性能被许多研发人员寄予希望。但是，铝在碱性与酸性条件下均会发生不可逆自腐蚀反应，这就导致铝空气电池会出现液体电解质漏液、自腐蚀产生的氢气破坏电池结构、无法进行充电等问题，在低功率放电时自腐蚀变得更加严重。为了克服这些问题，提出了采用凝胶电解质的方案，这对于抑制铝的自腐蚀起到了显著的作用，但是，碱性铝空气电池仍然难以在低功率（5-10mWcm-2）、小型化的条件下达到较高的容量利用率。目前，被报道的小型非液体电解质的铝空气电池，其铝极的容量利用率都没有达到50%以上，其主要原因就在于电解质对于抑制铝腐蚀的作用还不够强。如果能使用一种凝胶电解质，其拥有高储电解液能力，可以防止电池漏液，并能抑制铝在碱性或酸性电解液中的自腐蚀，使铝负极的利用率达到60%以上，那么再配合不同类型的抑制自腐蚀添加剂以及将铝负极合金化，就可以将铝负极的利用率提升至85%以上。当铝负极的利用率高于60%时，电池总体容量密度约为650Ahkg-1、能量密度约为1000Whkg-1（平均放电电压为1.55V），远高于现有的锂离子电池310Whkg-1。在这种情况下，即使铝空气电池只作为一次电池使用，也能在例如无人机等对能量密度有高要求的领域发挥作用。并且，铝负极利用率的提高，将为可充电铝空气电池提供支持。所以，寻求一种新的具有抑制自腐蚀能力以及防漏液的凝胶电解质，对于铝空气电池的性能提升有重要意义，具有明显的经济价值。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种琼脂糖凝胶电解质，获得适合铝空气电池、锌空气电池的特性，以达到抑制自腐蚀及防漏液的作用；本专利技术的另一专利技术目的是提供这种琼脂糖凝胶电解质的制备方法；本专利技术的再一专利技术目的是实现这种琼脂糖凝胶电解质在电池中的应用。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种琼脂糖凝胶电解质的制备方法，依次包括以下步骤：(1)将琼脂糖粉末、琼脂糖凝胶或其混合物在溶剂中搅拌分散，得到琼脂糖溶液；(2)对步骤(1)中得到的溶液进行加热并搅拌，使溶液变得均匀，加热温度为60～300℃；(3)对步骤(2)处理后的溶液进行低压处理或静置，以减少凝胶中的气泡；(4)将步骤(3)得到的溶液加热到40～100℃后，倒入模具中，获得所需的形状，并在凝固后取出，得到凝胶；(5)将凝胶浸入过量的电解液中使其充分吸收电解液，得到琼脂糖凝胶电解质。上述技术方案中，所述的琼脂糖包含且不限于低熔点琼脂糖、标准熔点琼脂糖、低强度琼脂糖、标准强度琼脂糖以及高强度琼脂糖或其混合物，琼脂糖凝胶包含且不限于Q-琼脂糖凝胶、SP-琼脂糖凝胶、琼脂糖凝胶CL-2B或以上混合物。浸泡的电解液优选为水系电解液，包含酸性、中性及碱性溶液，或为有机溶液，如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯盐溶液。电解液中可以含有表面活性剂等添加剂。通过模具获得片状、柱状、立方体、球体、空心立方体、空心球体凝胶，或者其它所需形状的凝胶，以与制备的电池形状配合。加热方式可以为：电热套加热、酒精灯加热、电磁炉加热、油浴加热、水浴加热、砂浴加热。为实现电解质充分吸收，时间长短可从几分钟至几年。上述技术方案中，步骤(1)中所述溶剂为去离子水、酸性溶液、中性溶液或碱性溶液，所述酸性溶液为盐酸或硫酸，所述中性溶液为氯化钠或氯化铝溶液，所述碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。优选的技术方案，步骤(2)中，加热温度为200～300℃。上述技术方案中，步骤(3)中，所述低压处理是，将真空干燥箱的温度调至50～90℃，将装有步骤(2)处理后的溶液的容器放入真空干燥箱中，降压直至容器中的溶液沸腾，保持此时的压力5～60秒，接着快速回升干燥箱中压力至大气压。或者，步骤(3)中，将溶液静置至少5分钟，用器具将漂浮在表面的气泡移除。优选的技术方案，步骤(4)中，溶液加热到40～60℃。进一步的技术方案，在步骤(4)和步骤(5)之间，将得到的凝胶进行裁切整形，得到所需的形状。为实现本专利技术的另一专利技术目的，本专利技术提供了采用上述任一制备方法制备获得的琼脂糖凝胶电解质。为实现本专利技术的再一专利技术目的，本专利技术公开了上述琼脂糖凝胶电解质的应用，在制作好的凝胶电解质的不同区域分别贴上或插入金属空气电池的正、负极，并覆盖气体扩散膜，经过封装得到金属空气电池。优选的技术方案，负极是铝片或锌片，正极是含有催化剂的泡沫镍。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：1、本专利技术创造性地将琼脂糖凝胶应用到电池电解质中，具有有大范围可调节的固液比例（1g琼脂糖：5mL电解液—1g琼脂糖：120mL电解液），可以抑制开放式铝空气电池与锌空气电池中的漏液问题；2、本专利技术首次将琼脂糖凝胶作为电解质使用，并将其用于铝空气电池中，铝负极的利用率可以达到67.1%，铝负极的比容量可以达到1992.5mAhg-1，电池排除包装的比容量可以达到672.5mAhg-1，达到了目前小型铝空气电池最高的容量密度。使用琼脂糖凝胶电解质的铝空气电池，表现出了明显的社会价值。3、本专利技术用于铝空气电池中时，可以稳定铝负极与电解质界面的反应产物沉积层，从而抑制铝在碱性溶液中的自腐蚀现象。4、本专利技术使用琼脂糖凝胶应用于锌空气电池中时，制作的薄膜锌空气电池可以放电6h以上。当用消耗的锌质量以及凝胶质量计算比容量时，比容量可以达到约100mAhg-1。5、琼脂糖凝胶的制作方法简单，成本低廉，所需设备要求低，可以实现大规模工业化制备。附图说明图1为琼脂糖凝胶经过冷冻、冷冻干燥并高温碳化后的扫描电镜（SEM）结构图；图2为片状琼脂糖凝胶的弯折图；图3为扣式琼脂糖凝胶铝空气电池各个部件展示图；图4为圆柱形琼脂本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种琼脂糖凝胶电解质的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：/n(1) 将琼脂糖粉末、琼脂糖凝胶或其混合物在溶剂中搅拌分散，得到琼脂糖溶液；/n(2) 对步骤(1)中得到的溶液进行加热并搅拌，使溶液变得均匀，加热温度为60～300℃；/n(3) 对步骤(2)处理后的溶液进行低压处理或静置，以减少凝胶中的气泡；/n(4) 将步骤(3)得到的溶液加热到40～100℃后，倒入模具中，获得所需的形状，并在凝固后取出，得到凝胶；/n(5) 将凝胶浸入过量的电解液中使其充分吸收电解液，得到琼脂糖凝胶电解质。/n
【技术特征摘要】
1.一种琼脂糖凝胶电解质的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(1)将琼脂糖粉末、琼脂糖凝胶或其混合物在溶剂中搅拌分散，得到琼脂糖溶液；
(2)对步骤(1)中得到的溶液进行加热并搅拌，使溶液变得均匀，加热温度为60～300℃；
(3)对步骤(2)处理后的溶液进行低压处理或静置，以减少凝胶中的气泡；
(4)将步骤(3)得到的溶液加热到40～100℃后，倒入模具中，获得所需的形状，并在凝固后取出，得到凝胶；
(5)将凝胶浸入过量的电解液中使其充分吸收电解液，得到琼脂糖凝胶电解质。
2.根据权利要求1所述的琼脂糖凝胶电解质的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述溶剂为去离子水、酸性溶液、中性溶液或碱性溶液，所述酸性溶液为盐酸或硫酸，所述中性溶液为氯化钠或氯化铝溶液，所述碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
3.根据权利要求1所述的琼脂糖凝胶电解质的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，加热温度为60～300℃。
4.根据权利要求1所述的琼脂糖凝胶电解质的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述低压处理是...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊同，张力，田景华，
申请(专利权)人：陈俊同，
类型：发明
国别省市：重庆;50
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