CN116103921A - 一种柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，是以静电纺丝膜为基底，在浸润锌盐溶液、聚合物基体单体、交联剂和引发剂的混合液后，经热聚合制备。本发明的电解质膜具有机械强度高、柔韧性好、离子导电率和电化学稳定性优异，以及抗枝晶生长的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种水凝胶电解质膜的制备方法及其应用，特别是一种柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法及其应用。
背景技术
近年来，锂离子电池因出色的电化学性能而被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车。然而，由于有机电解质的易燃性、有毒性引起了较多的安全事故发生，迫使研究人员开发锂离子电池的替代品。
在众多下一代储能系统中，可充电水系锌离子混合电容器ZIHCs被认为是最有前途的候选者，因为锌金属阳极具有氧化还原电势低(相对于标准氢电极为-0.76V)、理论容量高(820mAhg-1)、与水溶液相容性好、安全性高、对环境友好等优势。
目前研究的可充电水系锌离子混合电容器ZIHCs多为液态电解质，然而液态电解质因其机械性能、枝晶生长、电化学窗口、工作温度等各方面因素的影响，极易造成电解液的泄漏、刺穿隔膜、析氢析氧反应、蒸发或冰冻等问题，从而导致电解质的电化学性能急剧下降，这一问题极大的限制了锌离子混合电容器的商业应用。
为了解决这些问题，部分研究人员提出了一种新型的锌离子凝胶电解质，其作为一种准固态电解质用在正极和负极之间，能够在一定程度上克服上述的问题。
尽管目前各种锌离子凝胶电解质已经被广泛研究，并应用于锌离子混合电容器，然而，目前的锌离子凝胶电解质仍存在柔韧性差、机械强度低、离子电导率和电化学稳定性能不高等缺点，也是现阶段水系锌离子混合电容器存在的主要问题。
因此，设计具有较高电学性能和机械性能的凝胶电解质对于可充电水系锌离子混合电容器ZIHCs的推广普及非常重要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法及其应用。本发明的电解质膜具有机械强度高、柔韧性好、离子导电率和电化学稳定性优异，以及抗枝晶生长的特点。
本发明的技术方案：一种柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，是以静电纺丝膜为基底，在浸润锌盐溶液、聚合物基体单体、交联剂和引发剂的混合液后，经热聚合制备。
前述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，所述静电纺丝膜为静电纺丝PAN膜、静电纺丝纤维素膜或静电纺丝羧甲基纤维素膜中的一种。
前述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，所述聚合物基体单体为丙烯酰胺、丙烯酸或丙烯酸钠中的一种。
前述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。
前述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
前述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，所述锌盐溶液的浓度为0.1-7.5M。
前述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，所述交联剂的用量为聚合物基体单体的质量的0.08-0.12％。
前述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，所述引发剂的用量为聚合物基体单体的质量的1-2％。
前述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，所述热聚合是在50-100℃下聚合0.1-2h。
一种根据前述方法制备获得的水凝胶电解质膜在锌离子混合电容器中的应用。
本发明的有益效果
1、本发明以静电纺丝膜为基体，通过以负载聚合的形式将凝胶电解质结合在静电纺丝膜中，从而利用静电纺丝膜作为基体极大的增强了凝胶电解质膜的整体机械强度。试验中，本发明电解质膜能够表现出0.3MPa的拉伸强度和60％的断裂伸长率，因此，具有机械强度高和柔韧性的优点。
本发明静电纺丝PAN膜基材本身的机械强度相对于凝胶电解质来说具有较高的机械强度，通过两者的复合能够弥补凝胶电解质低机械强度缺点；同时，本发明的PAN与凝胶电解质(PAM)之间存在氢键相互作用，因此，相较于单独的其中任一种成分或者两种成分的机械强度之和，两者组合后形成协同增效的作用，其机械强度均得到了进一步的提高。
2、本发明通过提高凝胶电解质膜的机械强度，从而极大的抑制了锌枝晶的生长，提高了抗枝晶生长的能力。
3、本发明通过以静电纺丝膜为基体，并负载凝胶电解质溶液后进行聚合制备电解质膜，在聚合的过程中，由于静电纺丝膜中的氰基基团带负电，因此，可以引导锌离子的均匀沉积，从而进一步的抑制了锌枝晶的生长。
4、本发明通过提高凝胶电解质膜的机械强度和抑制锌枝晶的生长，极大的提高了电解质膜的离子导电率和电化学稳定性。试验中，本发明电解质膜具有6.3mS/cm的高离子电导率，并且将其组装为Zn//Zn对称电池，在0.2Ma·cm-2的电流密度下，Zn//PAN@PAM@Zn(CF3SO3)2//Zn对称电池在1600小时内表现出一致低于50mV的低电压极化。通过对Zn//Zn对称电池循环后的锌片进行SEM分析，得出有效抑制枝晶生长的性能。将其组装为AC//PAN@PAM@Zn(CF3SO3)2//Zn锌离子混合电容器时，可以显示出较好的可逆容量，在2A·g-1大电流密度下经过25000次循环后，使用PAN@PAM@Zn(CF3SO3)2作为电解质的ZIHCs仍能保持60mAhg-1的放电比容量。
5、本发明的凝胶电解质膜组装为AC//PAN@PAM@Zn(CF3SO3)2//Zn柔性准固态锌离子混合电容器，在剪切和弯曲的恶劣环境下可以为电子显示器稳定供电，这为柔性锌离子混合电容器提供了研究基础。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的拉伸性能图。
图2为本发明实施例1获得的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的宏观形貌图。
图3为本发明实施例2获得的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的电化学阻抗图谱。
图4为本发明实施例2获得的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的对锌对称电池稳定性曲线图。
图5为本发明实施例2获得的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的AC//Zn锌离子混合电容器室温条件电化学性能图。
图6为本发明实施例2获得的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的AC//Zn锌离子混合电容器为电子显示器稳定供电图。
通过图1可以看出：经过PAN复合的凝胶电解质在强度方面得到了极大的提升，同时也赋予了凝胶电解质具有较好抗枝晶性能。
通过图2可以看出：制备的复合凝胶电解质具有较好的柔性以及黏附性能。
通过图3可以看出：制备的复合凝胶电解质随着温度的增加阻抗也逐渐减小，说明了凝胶电解质在这个范围内能够较好的工作。
通过图4可以看出：制备的复合凝胶电解质具有较好的抗枝晶性能。
通过图5可以看出：制备的复合凝胶电解质应用于锌离子混合电容器中能够有较优秀的电化学循环性能。
通过图6可以看出：制备的复合凝胶电解质具有较好的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
实施例1
本实施例的柔性、抗枝晶凝胶水凝胶电解质膜制备方法包括以下步骤：
将基体单体1.5g丙烯酰胺(AM)溶解在3mL的3mol/L的Zn(CF3SO3)2溶液中，加入22.5mg引发剂过硫酸铵((NH4)2S2O8)、1.5mg交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，搅拌均匀后取混合溶液滴加在4*4cm正方形静电纺丝膜PAN上，放入60℃烘箱中反应15min，得到凝胶电解质。
该凝胶电解质用于方形电池。
实施例2
本实施例的柔性、抗枝晶凝胶水凝胶电解质膜制备方法包括以下步骤：
将基体单体1.5g丙烯酰胺(AM)溶解在3mL的3mol/L的Zn(CF3SO3)2溶液中，加入22.5mg引发剂过硫酸钾(K2S2O8)、1.5mg交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，搅拌均匀后取混合溶液滴加在直径16mm的圆形静电纺丝膜PAN上，放入60℃烘箱中反应15min，得到凝胶电解质。
该凝胶电解质用于纽扣电池。
实施例3
本实施例的柔性、抗枝晶凝胶水凝胶电解质膜制备方法包括以下步骤：
将基体单体1.5g丙烯酰胺在3mL的0.1mol/L的Zn(CF3SO3)2溶液中，加入15mg引发剂过硫酸铵((NH4)2S2O8)、1.2mg交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，搅拌均匀后取混合溶液滴加在4*4cm正方形静电纺丝PAN膜上，放入50℃烘箱中反应120min，得到凝胶电解质。
实施例4
本实施例的柔性、抗枝晶凝胶水凝胶电解质膜制备方法包括以下步骤：
将基体单体1.5g丙烯酸溶解在3mL的4mol/L的Zn(CF3SO3)2溶液中，加入25mg引发剂过硫酸铵((NH4)2S2O8)、1.5mg交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，搅拌均匀后取混合溶液滴加在4*4cm正方形静电纺丝纤维素膜上，放入80℃烘箱中反应70min，得到凝胶电解质。
实施例5
本实施例的柔性、抗枝晶凝胶水凝胶电解质膜制备方法包括以下步骤：
将基体单体1.5g丙烯酸钠溶解在3mL的7.5mol/L的Zn(CF3SO3)2溶液中，加入30mg引发剂过硫酸钾(K2S2O8)、1.8mg交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，搅拌均匀后取混合溶液滴加在4*4cm正方形静电纺丝羧甲基纤维素膜上，放入100℃烘箱中反应6min，得到凝胶电解质。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：是以静电纺丝膜为基底，在浸润锌盐溶液、聚合物基体单体、交联剂和引发剂的混合液后，经热聚合制备。
2.根据权利要求1所述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝膜为静电纺丝PAN膜、静电纺丝纤维素膜或静电纺丝羧甲基纤维素膜中的一种。
3.根据权利要求1所述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述聚合物基体单体为丙烯酰胺、丙烯酸或丙烯酸钠中的一种。
4.根据权利要求1所述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。
5.根据权利要求1所述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
6.根据权利要求1所述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述锌盐溶液的浓度为0.1-7.5M。
7.根据权利要求1或4所述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述交联剂的用量为聚合物基体单体的质量的0.08-0.12％。
8.根据权利要求1或5所述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述引发剂的用量为聚合物基体单体的质量的1-2％。
9.根据权利要求1所述的柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述热聚合是在50-100℃下聚合0.1-2h。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述方法制备获得的水凝胶电解质膜在锌离子混合电容器中的应用。
Priority Applications (1)
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| CN202211532063.2A CN116103921A (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 一种柔性、抗枝晶水凝胶电解质膜的制备方法及其应用 |
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