一种“三明治”结构凝胶电解质膜及其电池的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锌离子电池“三明治”结构的凝胶电解质膜及其电池的制备方法，属于水系锌离子电池领域。该电解质膜由固态多孔材料、凝胶聚合物、石墨烯、二价锌离子溶液和交联剂制备而成，其制备方法是将聚合物溶于水中得到聚合物水溶液，加入交联剂，搅拌均匀，通过旋涂仪旋涂得到中间层的凝胶膜；将多孔固态物质浸泡于二价锌离子溶液，润湿完全后，添加到聚合物的水溶液中，再加入石墨烯溶液和交联剂，通过搅拌，使物质分布均匀，使用旋涂仪将上述物质旋涂在中间层的凝胶膜两侧，即可得到厚度均匀的“三明治”结构的凝胶电解质膜，可与正、负电极组装成锌离子电池，组装的电池具有较好的综合性能。的综合性能。的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种“三明治”结构凝胶电解质膜及其电池的制备方法


[0001]本专利技术属于水系锌离子电池领域，涉及一种“三明治”结构的凝胶电解质膜及制备方法，及其电池的制备方法。

技术介绍

[0002]随着社会经济的发展,传统能源的过渡使用和环境的严重污染日益加深，对能源的合理储存及高效转化是目前面临的重大难题。电化学储能由于高效和环保等诸多优势，已成为当今能源储存和转化最重要的方式之一，而二次电池是最具代表性的电化学储能体系，高能量密度、高功率密度、长循环寿命等性能成为二次电池的发展趋势。二次水系锌离子电池作为新型二次储能器件，所使用的正、负材料通常具有无毒、低成本和制备简单等优点；更重要的是，在更为便捷的组装条件和安全的使用条件下，二次锌离子电池保障了电池较高的能量密度和功率密度。另外，锌离子电池在大型储能中，也将会有很好的应用价值和发展潜力。
[0003]常见的水系锌离子电池采用水系液态电解液为电池电解质，由于液态电解质固有的不稳定，导致电池微短路、枝晶形成和液体泄漏等诸多问题。凝胶聚合物电解质能够避免液体流动带来的泄露问题，还可以有效促进电池的循环性能。而且，凝胶聚合物电解质减少了水参与的副反应，在一定程度上抑制了金属锌负极带来的枝晶和失活等问题。
[0004]为了进一步促进电池的电化学稳定性，据报道有研究者在锂离子胶体电解质和锌离子胶体电解质中分散适量的陶瓷纳米材料，如中国专利技术专利CN201510431032.1和中国专利技术专利(一种水系锌离子电池胶体电解质及其制备方法和应用)，分别使用惰性SiO2和黏土材料作为胶体电解质材料，有效地抑制液态电解液的界面副反应和金属锌负极的枝晶，提高电池循环稳定性。然而，惰性材料会增加电解质的离子迁移阻抗，导致电池极化增加，不利于电池倍率容量的发挥，这给胶体电解质的实际应用带来局限。
[0005]为此，本专利技术提出一种锌离子“三明治”结构的凝胶电解质膜，该“三明治”结构的凝胶电解质膜不仅表现出凝胶电解质避免液体流动、减少副反应、抑制了金属锌负极失活等优点；而且，固态材料的添加，有效地抑制金属锌负极的枝晶的定位生长，提高电池循环稳定性；再者，所添加石墨烯中的碳纳米管有利于增加电极的导电性；最后，固态材料中孔洞储存的溶液可以为离子迁移提供快速通道，降低了固体惰性材料带来的额外阻抗，提高了电池的倍率容量。

技术实现思路

[0006]针对现有水系液态锌离子电池的缺点，本专利技术创新性地提出“三明治”结构的凝胶电解质膜，并将其应用于水系锌离子电池，形成新型锌离子电池体系。作为锌离子电池电解质膜，其可塑性可制备柔性电极，应用于便携式电子设备中的柔性电池；其较好机械强度和安全性，在起到既隔离正、负的基本功能外，更重要的是，抑制锌枝晶对隔膜的破坏，提供了循环稳定性和电化学稳定性。丰富的孔洞存储的电解液为锌离子的迁移提供了快速的通
道。该新型锌离子电池体系的关键在于“三明治”结构的凝胶电解质的制备，由固态多孔材料、凝胶聚合物、常规液态电解液、石墨烯溶液和交联剂旋涂制备，且具有一定粘度的电解质膜。此外，本专利技术还提供上述电解质膜的制备方法，具有原料广泛、成本低廉、工艺简单和环境友好等优点。
[0007]本专利技术提出的一种“三明治”结构的凝胶电解质膜及其制备方法，具体方案如下：
[0008]一种锌离子电池“三明治”结构的凝胶电解质膜，其特征在于，该凝胶电解质膜由固态多孔材料、凝胶聚合物、石墨烯、二价锌离子溶液和交联剂旋涂而成，电解质膜呈现凝胶状态；所述固态多孔材料包括天然硅藻土、沸石和多孔绝缘陶瓷中的一种或多种；所述二价锌离子溶液为可溶性二价锌离子溶液或由二价锌离子和辅助金属盐混合而成的复合溶液；
[0009]优选的，所述的固态多孔材料的微观尺寸为纳米、微米，微观基本结构为复合体相的片状、纤维状、球状、棒状、多边形和形状不规则的多边形颗粒，固态多孔材料占凝胶电解质膜总质量的5％～90％。
[0010]优选的，所述凝胶聚合物为PEG、PVA的一种或者两者混合物。
[0011]优选的，所述二价锌离子溶液的溶度范围在0.5～2mol/L(以锌离子计算)。
[0012]优选的，所述交联剂为能与聚合物发生交联作用的多官能团物质。
[0013]优选的，所述交联剂为柠檬酸，戊二醛的一种或者多种。
[0014]优选的，所述交联剂的溶度范围在0.1～0.2mol/L。
[0015]该“三明治”结构的凝胶电解质膜的制备方法如下：
[0016](1)将凝胶聚合物溶于去离子水中，搅拌并在80℃水浴加热，24h至凝胶聚合物全部溶解，形成均一的聚合物水溶液，待用；
[0017](2)取上述步骤(1)制备的聚合物水溶液，使用旋涂仪，通过旋涂仪旋涂得到凝胶膜；
[0018](3)将固态多孔材料浸泡于二价锌离子溶液，润湿完全后，进行超声，并静置一段时间，再倒出多余溶液，得湿润固态多孔材料，待用；
[0019](4)取步骤(3)湿润固态多孔材料至容器中，再加入步骤(1)制备的聚合物水溶液，再依次加入石墨烯溶液和交联剂，搅拌均匀，得锌离子固
‑
液混合物，待用；
[0020](5)使用旋涂仪将步骤(4)制备的锌离子固
‑
液混合物溶液旋涂在步骤(2)制备的凝胶膜两侧，得到厚度均匀的“三明治”结构的凝胶电解质膜。
[0021]优选地，所述制备步骤(2)与(5)中，使用旋涂仪参数设置5000rpm，旋涂时间为10min。
[0022]优选地，所述制备步骤(3)中，润湿完全后，对盛装容器用保鲜膜进行密封，进行超声30min，静置8小时，再倒出多余溶液。
[0023]优选地，所述制备步骤(4)中，所述搅拌时间为30min。
[0024]本专利技术还公开了一种扣式电池，是按垫片、锌片、“三明治”结构的凝胶电解质膜、不锈钢网、垫片的顺序组装而成。
[0025]所述不锈钢网作为正极材料，其制备方法包括如下步骤：
[0026](1)先称取0.025g PVDF(聚偏氟乙烯)和滴加适量NMP(N
‑
甲基吡咯烷酮) 室温下磁力搅拌2h；
[0027](2)称量0.025g乙炔黑加入其中，再持续搅拌2小时；
[0028](3)再称量0.2gα
‑
MnO2于其中，再持续搅拌6小时；
[0029](4)待搅匀后，用玻璃板均匀的涂在洗干净好的不锈钢网上，涂上的质量大概为 0.8
‑
1mg；
[0030](5)放置在80℃的烘箱中烘6
‑
8小时即可得正极材料。
[0031]本专利技术的优点在于：
[0032](1)凝胶电解质能避免液体流动、减少副反应、抑制金属锌负极失活；
[0033](2)固态材料的添加，能有效地抑制金属锌负极的枝晶的定位生长，提高电池循环稳定性；
[0034](3)所添加石墨烯中的碳纳米管有利于增加电极的导电性；
[0035](4)固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌离子电池“三明治”结构的凝胶电解质膜，其特征在于，该凝胶电解质膜由固态多孔材料、凝胶聚合物、石墨烯、二价锌离子溶液和交联剂旋涂而成，电解质膜呈现凝胶状态；所述固态多孔材料包括天然硅藻土、沸石和多孔绝缘陶瓷中的一种或多种；所述二价锌离子溶液为可溶性二价锌离子溶液或由二价锌离子和辅助金属盐混合而成的复合溶液。2.根据权利要求1所述的锌离子电池“三明治”结构的凝胶电解质膜，其特征在于：所述的固态多孔材料的微观尺寸为纳米、微米，微观基本结构为复合体相的片状、纤维状、球状、棒状、多边形和形状不规则的多边形颗粒，固态多孔材料占凝胶电解质膜总质量的5％～90％。3.根据权利要求2所述的锌离子电池“三明治”结构的凝胶电解质膜，其特征在于：所述凝胶聚合物为PEG、PVA的一种或者两者混合物。4.根据权利要求3所述的锌离子电池“三明治”结构的凝胶电解质膜，其特征在于：所述二价锌离子溶液的溶度范围在0.5～2mol/L(以锌离子计算)。5.根据权利要求4所述的锌离子电池“三明治”结构的凝胶电解质膜，其特征在于：所述交联剂为柠檬酸、戊二醛的一种或者多种，溶度范围在0.1～0.2mol/L。6.一种如权利要求1
‑
5任一所述的锌离子电池“三明治”结构的凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：(1)将凝胶聚合物溶于去离子水中，搅拌并在80℃水浴加热，24h至凝胶聚合物全部溶解，形成均一的聚合物水溶液，待用；(2)取上述步骤(1)制备的聚合物水溶液，使用旋涂仪，通过旋涂仪旋涂得到凝胶膜；(3)将固态多孔材料浸泡于二价锌离子溶液，润湿完全后，进行超声，并静置一段时间，再倒出多余溶液，得湿润固态多孔材料，待用；(4)取步骤(3)湿润固态多孔材料至容器中，再加...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓辉，赖飞燕，谢贻顺，张辉军，梁冬梅，余华娟，汤泉，
申请(专利权)人：贺州学院，
类型：发明
国别省市：