一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质及锌电池体系制造技术

本发明专利技术公开了一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质及锌电池体系，该电解质为有机酸锌盐聚合物，由有机物单体、锌盐、交联剂和引发剂经聚合反应制备而成；其中，所述有机物单体的浓度为0.1～10mol/L，有机物单体和锌盐的物质的量浓度比值为0.1：1～10：1；所述有机物单体含有碳碳双键，并含有磺酸基、酰亚胺基、磺酰亚胺基、羧酸基、硼酸基中的至少一种基团；所述锌盐为可溶性锌盐。该锌电池体系采用聚阴离子锌盐水凝胶电解质，通过固定电解液中的阴离子，减少副反应的发生，抑制锌枝晶的生长，实现锌电池体系的电化学性能和循环稳定性的提升。体系的电化学性能和循环稳定性的提升。体系的电化学性能和循环稳定性的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质及锌电池体系


[0001]本专利技术属于化学电源
，具体涉及一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质及锌电池体系。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池(LIBs)由于其出色的电化学性能而被广泛用于便携式电子和电动汽车。然而，由易燃有机电解质引起的安全问题驱使研究人员开发LIBs的替代品。在各种下一代储能系统中，水性锌基电池被认为是最有前途的候选者，因为锌金属阳极具有独特的优势，例如低氧化还原电势(相对于标准氢电极为-0.76V)，理论容量高(820mAh g-1
和5855mAh cm-3
)，与水溶液的相容性好，安全性高，对环境友好。然而，ZnSO4水溶液中严重的枝晶形成和副反应(如析氢反应，锌酸盐的生成等)导致循环寿命差和库仑效率低，这一直限制了锌基电池的商业应用。
[0003]为了解决这些问题，研究人员提出了很多策略来抑制枝晶的形成和减轻副反应。构造一种可以调节离子传输的修饰层是抑制树枝状晶体形成的有效方法，包括TiO2层，纳米多孔CaCO3层，多功能增白剂层，沸石咪唑盐骨架(ZIF-8)层等。此外，也有许多关于缓解副反应的策略被报道，例如使用Zn(CF3SO3)2电解质代替ZnSO4电解质，使用“盐包水”电解质，引入电解质添加剂，采用有机电解质，固态电解质。
[0004]但是，现有的策略大多只侧重锌枝晶的抑制和副反应的缓解的某一方面，性能的改善较为有限。为了获得长寿命的锌基电池，应同时考虑抑制锌枝晶和缓解副反应，实现锌电极的高度可逆性。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质及锌电池体系，解决了上述
技术介绍
中锌枝晶和副反应的抑制问题。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质，由有机物单体、锌盐、交联剂和引发剂经聚合反应制备而成；其中，所述有机物单体的浓度为0.1～10mol/L，有机物单体和锌盐的物质的量浓度比值为0.1：1～10：1；
[0007]所述锌盐为可溶性锌盐；所述有机物单体含有碳碳双键，并含有磺酸基、酰亚胺基、磺酰亚胺基、羧酸基、硼酸基中的至少一种基团，该基团中的H在聚合反应中被锌离子取代，形成带双键的有机酸锌盐单体。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种锌电池体系，包括含锌电极和上述聚阴离子锌盐水凝胶电解质。
[0009]本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：
[0010]1.本方案通过聚阴离子链上的阴离子对锌离子的限域作用，以及聚阴离子电解质没有浓差极化的固有特点，使得锌离子可以在锌负极表面均匀沉积和剥离，有效抑制了锌枝晶的生长，有利于延长电池的循环寿命；
[0011]2.本方案通过将聚阴离子固定在锌盐水凝胶电解质的主链上，限制了阴离子的自由运动，减少了与锌负极表面的自由接触，有效的抑制了副反应的发生；
[0012]3.本方案聚阴离子锌盐水凝胶电解质在制备中采用溶液环境中被原位交联固化的方法，电解质体系中保留了大量的溶剂(水)，实现了高离子电导率；
[0013]4.本方案的电解质可以广泛应用于锌电池体系中，且制备工艺简单，原料易得，成本低，安全可靠。
附图说明
[0014]图1为实施例1制备的聚阴离子锌盐水凝胶电解质的光学照片；
[0015]图2为实施例1与对比例1中锌对称电池的极化电压曲线的对比(电流密度0.5A/cm2)；
[0016]图3为实施例1与对比例1中锌铜半电池的循环性能的对比(电流密度0.5A/g)；
[0017]图4为实施例1与对比例1中锌-五氧化二钒全电池的循环性能的对比(电流密度0.5A/g)。
具体实施方式
[0018]在本专利技术一较佳实施例中，所述锌盐为氯化锌、醋酸锌、碳酸锌、硝酸锌、氢氧化锌、高氯酸锌、碱式碳酸锌、三氟甲烷磺酸锌或氟硼酸锌中的至少一种。
[0019]在本专利技术一较佳实施例中，所述交联剂包括硼砂、硼酸、戊二醛、环氧氯丙烷、二乙烯基苯、二异氰酸酯、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯。所述交联剂与有机物单体的物质的量浓度比为0.01：100～5：100。
[0020]在本专利技术一较佳实施例中，所述引发剂包括过氧化月桂酰、异丙苯过氧化氢、过氧化二碳酸二环己酯、过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、酮戊二酸、叔丁基过氧化氢/焦亚硫酸钠。所述引发剂与有机物单体的物质的量浓度比为0.01：100～5：100。
[0021]在本专利技术一较佳实施例中，所述有机物单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)。
[0022]在本专利技术一较佳实施例中，一种锌电池体系包括锌一次电池或二次电池，含锌电极的负极为锌，正极包括锌、铜、五氧化二钒、空气、二氧化锰、普鲁士蓝及其衍生物。
[0023]实施例1
[0024]本实施例一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质，制备方法如下：
[0025]在30℃条件下，将13.6gAMPS完全溶解于80mL去离子水中。然后加入5g碳酸锌，溶解均匀后，待用。将0.5g二乙烯基苯和二异氰酸酯、0.1g酮戊二酸溶解于80mL去离子水中，γ射线辐照1h，得到聚阴离子锌盐水凝胶电解液。
[0026]本实施例中，采用AMPS作为有机物单体，AMPS(结构式
)中磺酸基的H被碳酸锌中的锌离子取代，制备得到带双键的有机酸锌盐单体，其结构式如下：
[0027]该带双键的有机酸锌盐单体聚合后形成的聚合物，其阴离子链处于聚合物的骨架上，对锌离子起到限域作用，同时限制了阴离子的自由运动，减少了与锌负极表面的自由接触。图1为实施例1中制备的聚阴离子锌盐水凝胶电解质的光学照片，可以看到制备的电解质为典型的水凝胶状。
[0028]以本实施例制备的聚阴离子锌盐水凝胶电解质，分别组装锌对称电池、锌铜半电池和锌-五氧化二钒全电池，进行相关性能测试：
[0029]测试结果显示锌对称电池可以稳定循环超过350h，有效地抑制了锌枝晶的生长，具有较好的循环稳定性；锌铜半电池可以在1.0mA/cm2的电流密度条件下稳定运行250圈，库伦效率高达98.9％，说明副反应得到了有效地抑制；锌-五氧化二钒全电池可以在0.5A/g的电流密度下，稳定运行200圈，容量保持率为82.4％。
[0030]实施例2
[0031]实施例2与实施例1的区别在于：
[0032]在80℃条件下，将10gAMPS完全溶解于100mL去离子水中。然后加入5.26g氯化锌，溶解均匀后，待用。将5g硼酸，5.26g氯化锌、0.1g偶氮二异丁腈溶解于100mL去离子水中，100℃加热下2h，得到聚阴离子锌盐水凝胶电解液。
[0033]将本实施例聚阴离子锌盐水凝胶电解液与锌箔、空气正极组装锌空电池，所得锌空气电池可以实现1000次充放电循环，放电平台保持在1.5V本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质，其特征在于：由有机物单体、锌盐、交联剂和引发剂经聚合反应制备而成；所述锌盐为可溶性锌盐；所述有机物单体含有碳碳双键，并含有磺酸基、酰亚胺基、磺酰亚胺基、羧酸基、硼酸基中的至少一种基团，该基团中的H在聚合反应中被锌离子取代，形成带双键的有机酸锌盐单体；所述有机酸锌盐单体聚合后形成聚阴离子锌盐水凝胶；其中，所述有机物单体的浓度为0.1～10mol/L，有机物单体和锌盐的物质的量浓度比值为0.1：1～10：1。2.根据权利要求1所述的一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质，其特征在于：所述有机物单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸或丙烯酸。3.根据权利要求1所述的一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质，其特征在于：所述锌盐为氯化锌、醋酸锌、碳酸锌、硝酸锌、氢氧化锌、高氯酸锌、碱式碳酸锌、三氟甲烷磺酸锌或氟硼酸锌中的至少一种。4.根据权利要求1所述的一种聚阴离子锌盐水凝胶电解质，其特征在于：所述交联剂包括硼砂、硼酸、戊二醛、环氧氯丙烷、二乙烯基苯、二异氰酸酯、N,...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金保，丛建龙，曾静，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：