一种生物凝胶聚合物电解质电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种生物凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用。本发明专利技术通过渗透方法实现了电解质与电极(尤其是多孔电极)的密切接触，从降低电解质和电极的界面电阻。本发明专利技术省去了常用方法将固态电解质的转移步骤，直接将固态电解质和电极复合。相比转移固态电解质再组装电极的方法，本发明专利技术能更好地保存电极表面的微观形态，提高电极表面的接触面积，从而提高电池的电容量。进一步地，通过在电解质和电极浆料添加相同生物凝胶分子，增加固态电解质和电极微观接触的粘结性，进而提高柔性弯曲的机械稳定性。定性。

【技术实现步骤摘要】
一种生物凝胶聚合物电解质电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电解液
，尤其涉及一种生物凝胶聚合物电解质电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着可充电移动设备的广泛普及、新能源汽车技术的发展，可持续新能源技术的需求日益提升，二次电池作为新能源
的代表，与其相关的科学研究工作得到了飞速发展。特别地，近年来人们对于柔性可穿戴二次电子设备的需求也是日益高涨，柔性储能器件作为柔性可穿戴二次电子设备的重要组成部分也颇受瞩目。在这些二次电池中，锌离子电池(比如锌锰电池、锌钒电池)是近年来重点发展起来的一种新型二次水系电池，具有理论能量密度高、安全性好、原材料储量丰富成本低廉等诸多优势，特别是可以应用在水系电解液体系、在空气环境中稳定的特点，具有较高的安全性，成为了柔性可穿戴电子设备的理想储能技术，在高性能储能方案中具有广阔应用前景。
[0003]目前，常见的锌离子电池体系是以二氧化锰、五氧化二钒或二硫化钒等材料作为正极活性材料，以金属锌作为负极活性材料，以含有锌盐或锌盐和其他盐类混合物的水溶液作为液态水系电解液。这类二次水系锌离子电池具有诸多优势如能量密度高、安全性好等，具有较大发展潜力。但是，其实际使用的液态水系电解液仍会带来一定问题，比如漏液、水分蒸发而导致循环性能下降的问题、产氢胀气问题、不耐高低温问题、枝晶问题以及活性物质溶解等。
[0004]采用凝胶聚合物电解质可以有效地避免上述液态水系电解液实际面临的诸多问题，并且凝胶聚合物电解质多为准固态电解质，一般具有较高的机械强度和一定的柔展性，一定程度上能够改善漏液和枝晶等问题，提升电池安全性和性能稳定性，并且因为全固态的设计在柔性储能器件的设计上带来诸多便利。然而，实际应用于二次水系锌离子电池的凝胶聚合物电解质仍面临其因为聚合物基体结晶性导致的离子电导率低于液态水系电解液的劣势以及随之带来的循环和倍率性能的差距。
[0005]此外，生物凝胶聚合物电解质有望成为生物相容性和环境友好型固态储能器件的未来发展方向。利用生物凝胶分子的亲水特性，不仅可以很好地溶解在水溶液和亲水溶液中，而且利用长链的交联得到稳定的凝胶固态电解质。通过紫外光照、转化溶剂、添加反应试剂和加热等方式可以很好地将聚合物电解质前驱液转化成凝胶。如何将生物聚合物凝胶与电极有效集成是应用固态电解质的关键步骤。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种生物凝胶聚合物电解质电极及其制备方法和应用。本专利技术提供的生物凝胶聚合物电解质电极，通过渗透方法实现了电解质与电极(尤其是多孔电极)的密切接触，从降低电解质和电极的界面电阻。本专利技术省去了常用方法将固态电解质的转移步骤，直接将固态电解质和电极复合。相比转移固态电解质再组装电极的方
法，本专利技术能更好地保存电极表面的微观形态，提高电极表面的接触面积，从而提高电池的电容量。进一步地，通过在电解质和电极浆料添加相同生物凝胶分子，增加固态电解质和电极微观接触的粘结性，进而提高柔性弯曲的机械稳定性。
[0007]本专利技术还提供了将加热成型的生物聚合物凝胶电解质应用于薄膜电池和超级电容器的制备，并详细阐述了该制备方法的操作简易、电极界面电阻低和界面反应比表面积大等优势。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0009]本专利技术提供一种生物凝胶聚合物电解质电极，由生物凝胶聚合物电解质和电极制成，所述生物凝胶聚合物电解质与电极渗透接触。
[0010]一些实施方案中，所述生物凝胶聚合物电解质由前驱液制备得到；所述前驱液由生物凝胶分子、电解质盐、与水组成，或由生物凝胶分子、电解质盐和亲水溶剂组成；
[0011]所述亲水性有机溶剂为包含醚键、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚类、氨基、酰胺、有机酸根中至少一种亲水基团的有机溶剂；
[0012]所述生物凝胶分子为：瓜儿豆胶、刺槐豆胶、卡拉胶、黄原胶、阿拉伯胶、淀粉、纤维素、海藻酸盐中的一种或者几种。
[0013]所述生物凝胶分子优选为瓜儿豆胶、刺槐豆胶，更为优选的为刺槐豆胶
[0014]刺槐豆胶(其分子如式I所示)，是由产于地中海一带的刺槐树种子加工而成的植物子胶，该分子由一个由d
‑
甘露糖基组成的线性主链和含有d
‑
半乳糖基的侧链组成。刺槐豆胶与其他生物聚合物相同，由于其富含羟基，所以具有良好的水溶性。与常规应用刺槐豆胶于锂电池不同，如用于电极材料的粘合剂，本专利技术利用了刺槐豆胶的亲水性，直接将其溶解在水溶性或者亲水性电解液中并通过加热处理配制得到凝胶电解液。但相比于其他生物聚合物，刺槐豆胶不含有羧酸根，因此减少和电解质金属阳离子结合，从而有更好的高耐盐性。此外，刺槐豆胶平均每四个主链d
‑
甘露糖基才与一个d
‑
半乳糖苷侧基相连，因此具有相对简化的空间结构，有利于分子在水溶液或者亲水溶剂中的均匀分散，更好地制备高导电性的凝胶电解液。
[0015][0016]一些实施方案中，所述电解质盐为锌盐和/或锰盐；
[0017]所述锌盐为ZnSO4，Zn(ClO4)2，ZnCl2，Zn(CH3COO)2或Zn(SO3CF3)2中的至少一种；
[0018]所述锰盐为MnSO4，Mn(ClO4)2，MnCl2，Mn(CH3COO)2或Mn(SO3CF3)2中的至少一种。
[0019]本专利技术还提供了所述的生物凝胶聚合物电解质电极的制备方法：室温下，将生物凝胶分子分散于含电解质盐的水或含电解质盐的亲水溶剂中，获得前驱液；加热所述前驱液，室温固化。
[0020]一些实施方案中，所述加热为：
[0021]将所述前驱液直接倒在电池电极上利用加热板加热；
[0022]所述加热的温度为50
‑
150℃，时间为1
‑
100min。
[0023]一些实施方案中，所述电极为电池电极，所述电极为耐高温电极。
[0024]一些实施方案中，所述电极的正极材料由包括生物凝胶分子的原料制成；
[0025]所述凝胶分子为瓜儿豆胶、刺槐豆胶、卡拉胶、黄原胶、阿拉伯胶、淀粉、纤维素、海藻酸盐中的一种或者几种。
[0026]电池的正极材料含有与电解质相同的生物凝胶分子用作浆料的粘合剂。由于电极含有和电解质一样的分子，长时间接触更加紧密。
[0027]一些具体实施例中，所述电极的正极材料由以下方法制得：
[0028]混合65wt％的二氧化锰(MnO2)，20wt％的还原石墨烯(rGO)，10wt％的聚偏二氟乙烯(PVDF)和5wt％的刺槐豆胶于N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)中，磁搅拌4h。由此产生的浆料涂在碳布上，在70℃干燥6h。
[0029]一些实施方案中，所述电极的表面形貌为多孔结构或者粗糙表面。
[0030]本专利技术还提供了所述的生物凝胶聚合物电解质电极在制备全固态电池或薄膜超级电容器中的应用。
[0031]其中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物凝胶聚合物电解质电极，其特征在于,由生物凝胶聚合物电解质和电极制成，所述生物凝胶聚合物电解质与电极渗透接触。2.根据权利要求1所述的生物凝胶聚合物电解质电极，其特征在于，所述生物凝胶聚合物电解质由前驱液制备得到；所述前驱液由生物凝胶分子、电解质盐、与水组成，或由生物凝胶分子、电解质盐和亲水溶剂组成；所述亲水性有机溶剂为包含醚键、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚类、氨基、酰胺、有机酸根中至少一种亲水基团的有机溶剂；所述生物凝胶分子为：瓜儿豆胶、刺槐豆胶、卡拉胶、黄原胶、阿拉伯胶、淀粉、纤维素、海藻酸盐中的一种或者几种。3.根据权利要求2所述的生物凝胶聚合物电解质电极，其特征在于，所述电解质盐为锌盐和/或锰盐；所述锌盐为ZnSO4，Zn(ClO4)2，ZnCl2，Zn(CH3COO)2或Zn(SO3CF3)2中的至少一种；所述锰盐为MnSO4，Mn(ClO4)2，MnCl2，Mn(CH3COO)2或Mn(SO3CF3)2中的至少一种。4.权利要求1～3任一项所述的生物凝胶聚合物电解质电极的制备方法，其特征在于，室温下，将生物凝胶分子分散于含电解质盐的水或含电解质盐的亲水溶剂中，获得前驱液；...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂赞相，罗师强，周航，刘斌斌，
申请(专利权)人：深圳新源柔性科技有限公司，
类型：发明
国别省市：