一种应用于铝空电池的高电导率凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其将聚乙烯醇溶液与聚环氧乙烷溶液混合搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液；然后加入N,N

【技术实现步骤摘要】
一种应用于铝空电池的高电导率凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于铝空电池
，涉及一种利用聚乙烯醇，聚环氧乙烷和N,N
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亚甲基双丙烯酰胺制备的高电导率碱性凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]铝空电池因其具有较高的理论能量密度（8100Wh kg
‑1），金属铝质量轻，原材料丰富，电池使用寿命长，无毒无害，环境友好等优点被广泛研究，但液态铝空电池的电解质易泄漏，存在安全问题，并且金属在碱性溶液中存在严重的自腐蚀，极大的影响了电池各方面的工作性能。
[0003]近年来，由于具有良好的机械性能和热稳定性、比能量高、以及与液态电解质相比，可以减少电解质泄露等优点，凝胶聚合物电解质（GPEs）作为一种新型电解质，成为研究的热点。Yang 等将聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）应用于铝空气电池中，Romero等将聚乙烯醇（PVA）应用于锌空气电池中，许多人对聚合物电解质在金属空气电池的应用中进行了大量研究。
[0004]凝胶聚合物电解质由聚合物形成网络框架，液态电解质在框架中流动，凝胶聚合物电解质解决了现有金属空气电池电解液泄露及阳极腐蚀的问题，碱性凝胶聚合物电解质具有较高的室温电导率（室温电导率一般在 10
‑3～10
‑2S/cm
‑1之间）、制备工艺简单、原材料丰富、电池便于携带、安全稳定性高等特点，在金属空气电池，超级电容器等方面具有很大的研究意义。
[0005]碱性凝胶聚合物电解质主要有：聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）。PEO基聚合物电解质具有良好的机械性能，但结晶度高，导致室温电导率低，约为1
×
10
‑
3 S cm
‑1，难以满足实际应用电池电解质的要求（达到10
‑3S/cm
‑1以上）。PVA基聚合物电解质具有优异的化学稳定性、电化学惰性、耐久性、无毒性且制备简单，较高的离子电导率，约为1
×
10
‑2S cm
‑1，因此成为聚合物电解质研究方向的热点。PAA基碱性聚合物电解质电导率最高，约为1
×
10
‑1S cm
‑1，但机械性强度差，价格昂贵，在实际应用中受到很大的阻碍。
[0006]以凝胶聚合物作为电解质的金属空气电池作为可穿戴电子设备在户外通信，健康监测，野外旅行，军用设备等方向发展，使用条件更加复杂，对电解质除了安全性、循环稳定性等要求外，对电导率和功率密度也提出了更高的要求。而凝胶聚合物电解质由于形成的网络框架孔隙率较低，因此难以吸收大量的碱性电解质，造成金属空气电池的电导率和功率密度不高。目前解决此类问题的方法有：添加无机物作为构建网络框架；添加造孔剂，增加电解质的孔隙率；添加缓蚀剂，抑制金属的自腐蚀等一系列方法来提高金属空气电池的电化学性能，但这些方法工艺比较复杂，制备成本较高。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的问题，本专利技术目的在于提供一种应用于铝空电池的高电导
率碱性凝胶聚合物电解质，其具有高保水性、高透明性、高电导率、高功率密度等优点，且该电解质原料价格便宜、制备工艺简单。
[0008]本专利技术还提供了上述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，以及其在铝空电池中的应用。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其包括如下步骤：1）将聚乙烯醇溶液与聚环氧乙烷溶液混合搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液；2）在步骤1）所得聚合物溶液中加入交联剂溶液和氢氧化钾溶液，混匀即得碱性凝胶聚合物电解质。
[0010]具体的，所述交联剂优选为N,N
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亚甲基双丙烯酰胺。
[0011]进一步的，所述聚乙烯醇、聚环氧乙烷和N,N
’ꢀ‑
亚甲基双丙烯酰胺的质量比为64~100：64~100：12。
[0012]进一步的，步骤2）所得碱性凝胶聚合物电解质中，聚乙烯醇质量浓度为3.6~5.5%，聚环氧乙烷质量浓度为3.6~5.5%，氢氧化钾摩尔浓度为0.8
‑
1.2 mol/L。
[0013]进一步的，步骤1）具体为：称取一定量的聚乙烯醇粉末在室温条件（25℃）下加入到去离子水中，然后在水浴锅中磁力搅拌0.1
‑
1h，同时水浴锅温度逐渐升至80~90℃，获得稳定的溶液A；称取一定量的聚环氧乙烷粉末室温条件（25℃）下磁力搅拌约1 h以均匀分散在去离子水中，获得稳定的溶液B；将溶液B倒入溶液A中继续在水浴锅中搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液。
[0014]本专利技术提供了采用上述制备方法制备所得的高电导率碱性凝胶聚合物电解质。
[0015]本专利技术还提供了上述高电导率碱性凝胶聚合物电解质在制备铝空电池中的应用。
[0016]和现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1）本专利技术选用N,N
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亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，使聚乙烯醇、聚环氧乙烷和N,N
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亚甲基双丙烯酰胺形成具有非晶结构的热稳定性高、高保水性和透明性，并且具有一定形变能力的三维网络结构，通过该网络结构提高碱性凝胶聚合物电解质的力学性能，电导率和功率密度；电导率能稳定维持在0.199 S cm
‑1左右，功率密度约为43.3 mW cm
‑2，可以满足金属空气电池的要求；2）本专利技术凝胶聚合物电解质的制备工艺简单，成本低，所用原料价格低廉，容易获得。本专利技术制备所得凝胶聚合物电解质结构稳定，具有一定的柔性，可以满足穿戴式储能设备的需要；网络结构稳定，具有优良的电化学性能。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例1与对比例3所制备的凝胶聚合物电解质的X射线衍射(XRD)对比图；图2为本专利技术实施例1与对比例2所制备的凝胶聚合物电解质的红外光谱（ATR
‑
FTIR）对比图；图3为本专利技术实施例1与对比例1所制备的凝胶聚合物电解质阻抗（EIS）对比图；图4为本专利技术实施例1中制备的凝胶聚合物电解质组装成铝空气电池的开路电位（OCP）图；
图5为本专利技术对比例1中制备的凝胶聚合物电解质组装成铝空气电池的线性伏安扫描(LSV)结果图；图6为本专利技术实施例1中制备的凝胶聚合物电解质组装成铝空气电池的线性伏安扫描(LSV)结果图；图7为本专利技术实施例1与对比例2所制备的凝胶聚合物电解质组装成铝空气电池的放电性能图。
具体实施方式
[0018]以下结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步地详细介绍，但本专利技术的保护范围并不局限于此。
[0019]下述实施例中所用试剂及原料均系市购常规原料。
[0020]实施例1一种高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，具体包括如下步骤：1）称取2 g聚乙烯醇（分子量205000）在室温条件（25℃）下加入到14 mL去离子水中，然后将其在水浴锅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将聚乙烯醇溶液与聚环氧乙烷溶液混合搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液；2）在步骤1）所得聚合物溶液中加入交联剂溶液和氢氧化钾溶液，混匀即得碱性凝胶聚合物电解质。2.根据权利要求1所述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述交联剂为N,N
’‑
亚甲基双丙烯酰胺。3.根据权利要求1所述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇、聚环氧乙烷和N,N
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的质量比为64~100：64~100：12。4.根据权利要求3所述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，步骤2）所得碱性凝胶聚合物电解质中，聚乙烯醇质量浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹国钦，刘世豪，胡俊华，雷红红，张志刚，武智昊，冯南翔，李荣荣，
申请(专利权)人：郑州佛光发电设备有限公司，
类型：发明
国别省市：