高性能纳米纤维素锌离子电解质的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能纳米纤维素锌离子电解质的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将纳米纤维素与高浓度的氯化锌水溶液混合，得到纳米纤维素水溶液电解质，氯化锌与水的质量比为1.75：1，纳米纤维素与氯化锌的质量比为0.02～0.1：1；步骤2，在纳米纤维素水溶液电解质中加入氯化钙,纳米纤维素与氯化钙的质量比为1：1，将溶液放入超声机中进行半小时超声处理，充分冷却后将其加入到聚四氟乙烯模具中，并放入干燥箱中加热凝结，形成纳米纤维素凝胶电解质。纳米纤维素制备的电解质无需外加其他合成聚合物，获得具有创纪录的高导电性，而且高浓度纳米纤维素能有效地阻止了锌阳极上树枝状的生长。的生长。的生长。

【技术实现步骤摘要】
高性能纳米纤维素锌离子电解质的制备方法


[0001]本专利技术涉及储能设备
，特别涉及高性能纳米纤维素锌离子电解质的制备方法。

技术介绍

[0002]水性可充电电化学储能装置(ARESD)由于其出色的安全性而成为新一代的电化学储能装置。作为一种资源丰富、高理论容量和生态友好的金属，锌离子储能装置显示出很好的发展前景。然而，锌箔上的枝晶生长正威胁着它的实际应用。另一方面，用可再生可降解的生物质资源制备储能装置是未来实现绿色经济的一项技术基础。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供高性能纳米纤维素锌离子电解质的制备方法，无需合成聚合物即可形成凝胶，其中由纳米纤维素制备的电解质也因其纳米纤维素含量更高而具有创纪录的高导电性，而且纳米纤维素能有效地阻止锌阳极上树枝状的生长。
[0004]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0005]步骤1，将纳米纤维素与高浓度的氯化锌水溶液混合，得到纳米纤维素水溶液电解质，氯化锌与水的质量比为1.75：1，纳米纤维素与氯化锌的质量比为0.02～0.1：1；
[0006]步骤2，在纳米纤维素水溶液电解质中加入氯化钙,纳米纤维素与氯化钙的质量比为1：1，将溶液放入超声机中进行半小时超声处理，充分冷却后将其加入到聚四氟乙烯模具中，并放入真空干燥箱中干燥形成纳米纤维素凝胶电解质。
[0007]本专利技术的进一步设置为：步骤一中的所述纳米纤维素为纤维素纳米晶、纤维素纳米纤维或细菌纳米纤维素。
[0008]本专利技术的进一步设置为：步骤一中的所述纳米纤维素原料材料为棉花、工业大麻杆、木浆、秸秆。
[0009]本专利技术的进一步设置为：步骤二中所述干燥箱内的温度在60℃，干燥时长为2h。
[0010]综上所述，本专利技术具有以下有益效果：
[0011]其一、本专利技术中由纳米纤维素制备的电解质具有创纪录的高导电性。
[0012]其二、本专利技术的纳米纤维素有效地阻止了锌阳极上树枝状的生长。
[0013]其三、本专利技术使用的添加剂原料来源广泛、制备过程简单，生产中不会产生三废污染，使用纳米纤维素制备电解质反应条件简单，操作方便，不含化石原料合成的高分子，原料可再生，符合可持续绿色经济的发展要求。
[0014]其四、本专利技术中的纳米纤维素电解质可以实现锌超级电容器的超高容量和长循环寿命。
[0015]其五、本专利技术经过理论计算表明，氢网络和纳米纤维素的适当尺寸有助于提高电解质的卓越性能。
附图说明
[0016]图1纳米纤维素电解质(左)和氯化锌水溶液(右)中充放电后锌金属表面枝晶生长情况的SEM图。
[0017]图2是充放电循环寿命图；
[0018]图3是径向函数分析图。
具体实施方式
[0019]实施例，高性能纳米纤维素锌离子电解质的制备方法，包括以下步骤：
[0020]步骤一、将39.48g氯化锌与14.52g去离子水混合，在60℃条件下的磁力搅拌器中充分搅拌，直到氯化锌完全溶解，称取16g麻杆基纳米纤维素缓慢加入到上述溶液中，待充分搅拌后，将溶液放入超声机中进行1小时超声处理，使纳米纤维素充分溶解，得到纳米纤维素水溶液电解质。
[0021]步骤二、在纳米纤维素水溶液电解质中加入0.8g氯化钙作为交联剂，在60℃的磁力搅拌器中充分搅拌，待CaCl2充分混合后将溶液放入超声机中进行半小时超声处理，充分冷却后将其加入到15mm
×
10mm
×
2mm的聚四氟乙烯模具中，并放入干燥箱中在60℃下干燥2h以实现交联，得到纳米纤维素凝胶电解质。
[0022]纳米纤维素凝胶电解质不仅通过保持高活性的阳极表面以提高成核率而不是表面钝化来有效地抑制锌箔上的枝晶生长，如图1所示，而且因为含有纳米纤维素，溶液电解质电导率达到158.2mScm
‑1，而凝胶电解质达到107.8mScm
‑1，是目前已报道的锌电解质最高电导率记录，与纤维素制备的水凝胶电解质相比，有着更高的机械强度。纳米纤维素凝胶可以令锌超级电容器的电容量达到450mAhg
‑1是目前的最高记录，而且循环充放电5000次，电容量保持率依然高于90％，表现出良好的充放电循环稳定性，如图2所示，在功率密度为2000Wkg
‑1时，ZHS可以达到362.2Whkg
‑1的能量密度。
[0023]为深入剖析纳米纤维素的影响，我们进行了理论计算，利用CASTEP进行密度泛函理论(DFT)计算，利用基于广义梯度近似(GGA)的Perdew
‑
Burke
‑
Ernzerhof(PBE)泛函描述交换相关能。葡萄糖二聚体、H2O、Cl
‑
和Zn
2+
混合物中的弱相互作用是通过基于GGA的相同PBE官能团计算的，构建一个包含1个葡萄糖二聚体，22个水分子，2个Cl
‑
和一个Zn
2+
离子的晶胞。在上述所有DFT计算中，DFT
‑
D2方法被用作范德华相互作用的远程色散校正。在此条件下进行结构优化，最后进行径向函数分析，如图3所示。
[0024]理论计算表明，纳米纤维素聚合单元(葡萄糖)上的羟基与水分子间的氢键促使锌离子去溶剂化，这是高电导率与高容量的根本原因。理论计算中的径向分布函数说明Zn与O原子的距离因为纳米纤维素的增加而增加，说明Zn与水中O原子相互作用减弱。氢网络和纳米纤维素的适当尺寸有助于降低锌离子扩散能障，提高锌离子电导率。
[0025]本具体实施例仅仅是对本专利技术的解释，其并不是对本专利技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本专利技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能纳米纤维素锌离子电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将纳米纤维素与高浓度的氯化锌水溶液混合，得到纳米纤维素水溶液电解质，氯化锌与水的质量比为1.75：1，纳米纤维素与氯化锌的质量比为0.02～0.1：1；步骤2，在纳米纤维素水溶液电解质中加入氯化钙,纳米纤维素与氯化钙的质量比为1：1，将溶液放入超声机中进行半小时超声处理，充分冷却后将其加入到聚四氟乙烯模具中，并放入干燥箱中加热凝结，形成纳米纤维素凝胶电...

【专利技术属性】
技术研发人员：何俊杰，李靖，孙语晨，谢彬，张琳，
申请(专利权)人：云南农业大学，
类型：发明
国别省市：