CN117855629A - 单离子导电柔性水凝胶电解质及其制备方法和在锌离子电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开单离子导电柔性水凝胶电解质及其制备方法和在锌离子电池中的应用，以2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸和氧化锌的反应产物为单体，同时使用聚乙二醇二丙烯酸酯构建交联网络，通过自由基聚合得到本发明的水凝胶。本发明制备方法较为简便，原料成本低廉，通过更换2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸盐而应用于其他储能器件的电解质，具有普适性，研究发展潜力巨大，对于储能器件电解质的发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于锌离子电池的技术领域，更具体地说，涉及锌离子电池水凝胶电解质材料及制备方法和电极材料与器件的组装。
背景技术
随着绿色发展等环保理念的不断强化，近年来以水系电解质为主的环保、安全性优异的锌离子电池在储能器件中脱颖而出，受到越来越多的关注。除此之外，人体可穿戴、便携式电子设备的迅速发展，需要储能器件在弯折等变形条件下工作，对柔性、高安全性储能器件提出了更高的需求。采用近固态水凝胶电解质的锌离子电池能够有效解决变形过程中电解液泄露问题有望很好的满足这一需求。
水系锌离子电池是一种以水溶液为电解质，金属锌为负极，二氧化锰等为正极材料的新型绿色储能器件，可满足前文提到的需求，因此是研究的热点。然而在现有水系锌离子电池，往往采用硫酸锌溶液作为电解质，溶液产生锌负极枝晶、碱式硫酸锌副产物等问题，造成锌负极长期循环稳定性差，降低电池的循环寿命。另一方面，水凝胶是一种具有三维网络的，保持大量体积的水而不溶解的结构凝胶，因此以水凝胶为电解质可以有效解决电解液泄露的问题。然而现有的应用于锌离子电池的水凝胶电解质相关研究中，凝胶质软具有柔性，受到压力时虽未被破坏但形变很大，因此造成电极材料破坏。此外，高力学强度的水凝胶往往离子电导率较低，也会使得电池性能下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制备高抗压、稳定锌负极无枝晶的单离子导电柔性水凝胶电解质及其制备方法，并实现其在锌离子电池中的应用，提升电池性能。采用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸盐单体聚合制备水凝胶，阴离子固定于高分子链，锌阳离子在聚阴离子通道上移动，单锌离子导电，有效抑制锌负极的副反应获得长期稳定循环并获得高离子电导率、高离子迁移数。使用大分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯构建交联网络，使所制备的凝胶具有柔性并具有高抗压强度，同时聚乙二醇二丙烯酸酯上大量的醚键可引导锌离子的传输。本发明可有效解决现有技术的锌负极枝晶与副反应造成电池长期循环稳定差和水凝胶电解质柔性、抗压强度和离子电导率、迁移数不能同时提高的矛盾，获得性能更优的锌离子电池。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
单离子导电柔性水凝胶电解质及其制备方法，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌和聚乙二醇二丙烯酸酯进行共聚，再将共聚产物在硫酸锌水溶液中进行浸泡，以得到单离子导电柔性水凝胶电解质，其中：
在硫酸锌水溶液中，硫酸锌的物质的量的浓度为1—2.5mol/L，优选1—2mol/L；浸泡时间为1～6h。
聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量应为400～1000。
进行共聚时，选择将均匀分散2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇二丙烯酸酯以及引发剂的溶液，置于裁剪成设计形状的1mm厚的硅胶模具中并进行引发；选择光引发剂，如2-酮戊二酸；在波长365nm紫外灯下照射5-30min，优选10—20min，以进行共聚。
进行共聚时，在均匀分散2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇二丙烯酸酯以及引发剂的溶液中，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(即2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌)的物质的量浓度应为1—5mol/L，优选2—5mol/L；光引发剂2-酮戊二酸与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌的物质的量之比为1:(200—500)，聚乙二醇二丙烯酸酯与溶剂水的质量比为(1—10)：100，优选(6—8)：100。
在制备均匀分散2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇二丙烯酸酯以及引发剂的溶液时，步骤1，取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸均匀分散在去离子水中，加入氧化锌与其反应，搅拌至固体反应完全，剩余固体不再溶解；步骤2，向步骤1所得到的混合液中加入聚乙二醇二丙烯酸酯，以布氏漏斗使用0.22μm滤纸真空抽滤，收集抽滤所得透明液体；步骤3，在步骤(2)中所得液体中加入引发剂，避光密闭搅拌至其均匀溶解，即得到均匀分散2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇二丙烯酸酯以及引发剂的溶液，故需要在步骤1中添加过量氧化锌，以使2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸转变为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌，氧化锌加入的物质的量与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸物质的量之比大于1/2，不高于3/4。
本发明的单离子导电柔性水凝胶电解质在锌离子电池中的应用，其中：
(1)裁取合适尺寸锌箔，表面经打磨去除氧化层后作为锌离子电池负极；正极极片裁剪为半径为10mm的圆形最佳，单个极片正极材料负载约为1mg；
(2)将水热法制备的α-MnO2、炭黑与聚偏氟乙烯按8:1:1质量比混合研磨至均匀，加入N-甲基吡咯烷酮至合适粘度；将所得粘性液体均匀涂覆于亲水碳布，在真空烘箱中烘干后裁剪制备正极材料；烘干时间为20—24h；
(3)将上述负极和正极与本发明的单离子导电柔性水凝胶电解质，按照正极壳—正极—单离子导电柔性电解质—垫片—负极—负极壳的顺序组装制备锌离子电池。
本发明的技术方案公开一种制备高抗压、稳定锌负极无枝晶的单离子导电柔性水凝胶电解质的制备及在锌离子电池中的应用。本发明的技术方案基于一种带有磺酸基团的单体(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)，因其含有的磺酸基团，可与氧化锌、碱式碳酸锌等反应得到可溶于水的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸盐。采用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸盐单体聚合制备水凝胶，阴离子固定于高分子链，锌阳离子在聚阴离子通道上移动，单锌离子导电，有效抑制锌负极的副反应获得长期稳定循环并获得高离子电导率、高离子迁移数。使用大分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯，使所制备的凝胶具有柔性并具有高抗压强度，同时聚乙二醇二丙烯酸酯上大量的醚键也可引导锌离子的传输。因此，可以有效的解决前文所述的锌负极枝晶与副反应造成电池长期循环稳定差和水凝胶电解质柔性、抗压强度和离子电导率、迁移数不能同时提高的矛盾，获得性能更优的锌离子电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)该方法实现了一种高抗压、稳定锌负极无枝晶的单离子导电柔性水凝胶电解质的制备及在锌离子电池中的应用，制备方法较为简便，原料成本低廉，可快速定制批量生产。(2)该方法制备的聚阴离子水凝胶电解质具有固定于高分子链的阴离子，锌阳离子自由移动实现单离子导电，有效抑制锌负极不均匀沉积的枝晶及副反应问题，提高电池长期循环稳定性。并且，可以实现高离子电导率和锌离子迁移数。(3)制备的水凝胶电解质具有高离子电导率的同时具有优良柔性，高抗压强度，可以在受到外力压迫时抵抗变形，防止电极材料被破坏，电池失效。(4)该水凝胶的制备方法可按所需要求快速批量制备指定形状的电解质，且可通过更换2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸盐而应用于其他储能器件的电解质，具有普适性，研究发展潜力巨大。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的单离子导电柔性水凝胶电解质及形变下的光学照片。
图2是本发明实施例1制备的单离子导电柔性水凝胶SEM及对应元素分布能谱图。
图3是本发明实施例1中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和其与氧化锌反应后得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌盐单体的拉曼光谱图。
图4是本发明实施例1中反应物与产物的红外光谱对比图。
图5是本发明中实施例1、2、3产物的红外光谱对比图。
图6是本发明中实施例1和对比例2的压缩应力应变曲线图。
图7是本发明中实施例2和3的压缩应力应变曲线图。
图8是本发明实施例1与对比例1Zn||Zn对称电池1mA/cm2电流密度下沉积/剥离曲线图。
图9是本发明实施例1与对比例1Zn||Zn对称电池2mA/cm2电流密度下沉积/剥离曲线图。
图10是本发明实施例2、3的Zn||Zn对称电池1mA/cm2电流密度下沉积/剥离曲线图。
图11是本发明实施例1的多次循环伏安曲线图。
图12是本发明实施例1与对比例1多次循环时循环比容量及库伦效率变化测试图。
图13是本发明实施例1与对比例1全电池多次循环后锌负极表面SEM照片。
图14是本发明实施例1与对比例1全电池多次循环后锌负极XRD曲线图。
图15是本发明实施例2、3的全电池多次循环后锌负极表面SEM照片。
图16是本发明实施例1、2和3与对比例1的EIS曲线及对应的离子电导率测试结果图。
图17是本发明实施例1的离子迁移数和实施例1与对比例1的Tafel曲线图。
图18是本发明实施例2、3的Tafel曲线图。
图19是本发明实施例1的全电池倍率性能测试结果图。
图20是本发明实施例1在不同电流密度下充放电曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。按照本发明设计思路，在制备均匀分散2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇二丙烯酸酯以及引发剂的溶液时，以步骤1中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸全部转化为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌，来添加过量氧化锌；以步骤1中去离子水用量来计算2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇二丙烯酸酯的用量；再根据2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌用量计算引发剂的用量。
实施例1
(1)将8.29g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶解于10mL去离子水中，待其均匀溶解后缓慢加入1.628g氧化锌与其反应，加去离子水至溶液总体积为20mL，搅拌至固体反应完全，剩余固体不再溶解。
(2)将步骤(1)所得到的混合液中加入1g聚乙二醇二丙烯酸酯以布氏漏斗使用0.22μm滤纸真空抽滤，收集抽滤所得透明液体。
(3)在步骤(2)中所得液体中加入28mg 2-酮戊二酸作为引发剂，避光密闭搅拌至其均匀溶解。取250μL所得液体适量于裁剪成半径为14mm的圆形1mm厚硅胶模具中，在波长365nm紫外灯下照射10min，制备得到单离子导电柔性水凝胶。
(4)配制浓度为2M的硫酸锌电解质溶液，取60mL去离子水于容器中，加入45.92g的七水合硫酸锌，搅拌至完全溶解。
(5)将步骤(3)制备得到的水凝胶浸泡于步骤(4)中的溶液中6h，制备得到单离子导电柔性水凝胶电解质。
(6)裁取半径为12mm圆形锌箔，表面经打磨去除氧化层后，作为锌离子电池负极。
(7)将水热法制备的α-MnO2、炭黑与聚偏氟乙烯按8:1:1质量比，分别加入240mg、30mg和30mg混合研磨至均匀，加入5mL N-甲基吡咯烷酮至合适粘度。将所得粘性液体均匀涂覆于亲水碳布，在真空烘箱60℃，24h烘干后裁剪制备正极材料。
(8)将步骤(6)和步骤(7)所分别制备的负极，正极材料，与步骤(5)所得电解质按照正极壳—正极—单离子导电柔性电解质—垫片—负极—负极壳的顺序组装制备锌离子电池。
实施例2
(1)将8.29g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶解于10mL去离子水中，待其均匀溶解后缓慢加入1.628g氧化锌与其反应，加去离子水至溶液总体积为20mL，搅拌至固体反应完全，剩余固体不再溶解。
(2)将步骤(1)所得到的混合液中加入0.5g聚乙二醇二丙烯酸酯以布氏漏斗使用0.22μm滤纸真空抽滤，收集抽滤所得透明液体。
(3)在步骤(2)中所得液体中加入28mg 2-酮戊二酸作为引发剂，避光密闭搅拌至其均匀溶解。取250μL所得液体适量于裁剪成半径为14mm的圆形1mm厚硅胶模具中，在波长365nm紫外灯下照射10min，制备得到单离子导电柔性水凝胶。
(4)配制浓度为2M的硫酸锌电解质溶液，取60mL去离子水于容器中，加入45.92g的七水合硫酸锌，搅拌至完全溶解。
(5)将步骤(3)制备得到的水凝胶浸泡于步骤(4)中的溶液中6h，制备得到单离子导电柔性水凝胶电解质。
(6)裁取半径为12mm圆形锌箔，表面经打磨去除氧化层后，作为锌离子电池负极。
(7)将水热法制备的α-MnO2、炭黑与聚偏氟乙烯按8:1:1质量比，分别加入240mg、30mg和30mg混合研磨至均匀，加入5mL N-甲基吡咯烷酮至合适粘度。将所得粘性液体均匀涂覆于亲水碳布，在真空烘箱60℃，24h烘干后裁剪制备正极材料。
(8)将步骤(6)和步骤(7)所分别制备的负极，正极材料，与步骤(5)所得电解质按照正极壳—正极—单离子导电柔性电解质—垫片—负极—负极壳的顺序组装制备锌离子电池。
实施例3
(1)将8.29g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶解于10mL去离子水中，待其均匀溶解后缓慢加入1.628g氧化锌与其反应，加去离子水至溶液总体积为20mL，搅拌至固体反应完全，剩余固体不再溶解。
(2)将步骤(1)所得到的混合液中加入2g聚乙二醇二丙烯酸酯以布氏漏斗使用0.22μm滤纸真空抽滤，收集抽滤所得透明液体。
(3)在步骤(2)中所得液体中加入28mg 2-酮戊二酸作为引发剂，避光密闭搅拌至其均匀溶解。取250μL所得液体适量于裁剪成半径为14mm的圆形1mm厚硅胶模具中，在波长365nm紫外灯下照射10min，制备得到单离子导电柔性水凝胶。
(4)配制浓度为2M的硫酸锌电解质溶液，取60mL去离子水于容器中，加入45.92g的七水合硫酸锌，搅拌至完全溶解。
(5)将步骤(3)制备得到的水凝胶浸泡于步骤(4)中的溶液中6h，制备得到单离子导电柔性水凝胶电解质。
(6)裁取半径为12mm圆形锌箔，表面经打磨去除氧化层后，作为锌离子电池负极。
(7)将水热法制备的α-MnO2、炭黑与聚偏氟乙烯按8:1:1质量比，分别加入240mg、30mg和30mg混合研磨至均匀，加入5mL N-甲基吡咯烷酮至合适粘度。将所得粘性液体均匀涂覆于亲水碳布，在真空烘箱60℃，24h烘干后裁剪制备正极材料。
(8)将步骤(6)和步骤(7)所分别制备的负极，正极材料，与步骤(5)所得电解质按照正极壳—正极—单离子导电柔性电解质—垫片—负极—负极壳的顺序组装制备锌离子电池。
对比例1
(1)配制浓度为2M的硫酸锌电解质溶液，取60mL去离子水于容器中，加入45.92g的七水合硫酸锌，搅拌至完全溶解。
(2)裁取半径为12mm圆形锌箔，表面经打磨去除氧化层后，作为锌离子电池负极。
(3)将水热法制备的α-MnO2、炭黑与聚偏氟乙烯按8：1：1质量比，分别加入240mg、30mg和30mg混合研磨至均匀，加入5mL N-甲基吡咯烷酮至合适粘度。将所得粘性液体均匀涂覆于亲水碳布，在真空烘箱60℃，24h烘干后裁剪制备正极材料。
(4)将步骤(2)和步骤(3)所分别制备的负极，正极材料，与步骤(1)所得电解质按照正极壳—正极—玻纤隔膜—滴加电解质—垫片—弹片—负极—负极壳的顺序组装制备锌离子电池。
对比例2
(1)将5.69g丙烯酰胺溶解于20mL去离子水中，待其均匀溶解后加入12mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌至完全溶解。
(2)在步骤(1)中所得液体中加入28mg 2-酮戊二酸作为引发剂，避光密闭搅拌至其均匀溶解。取250μL所得液体适量于裁剪成半径为14mm的圆形1mm厚硅胶模具中，在波长365nm紫外灯下照射10min，制备得到聚丙烯酰胺水凝胶。
(3)配制浓度为2M的硫酸锌电解质溶液，取60mL去离子水于容器中，加入45.92g的七水合硫酸锌，搅拌至完全溶解。
(4)将步骤(2)制备得到的水凝胶浸泡于步骤(3)中的溶液中6h，制备得到聚丙烯酰胺水凝胶电解质。
(5)裁取半径为12mm的圆形锌箔，表面经打磨去除氧化层后作为锌离子电池负极。
(6)将水热法制备的α-MnO2、炭黑与聚偏氟乙烯按8:1:1质量比，分别加入240mg、30mg和30mg混合研磨至均匀，加入5mL N-甲基吡咯烷酮至合适粘度。将所得粘性液体均匀涂覆于亲水碳布，在真空烘箱60℃，24h烘干后裁剪制备正极材料。
(7)将步骤(5)和步骤(6)所分别制备的负极，正极材料，与步骤(4)所得电解质按照正极壳—正极—单离子导电柔性电解质—垫片—负极—负极壳的顺序组装制备锌离子电池。
如图1所示，实施例1制备的单离子导电柔性水凝胶电解质及形变下的光学照片，所制备的单离子导电柔性水凝胶电解质均匀透明，且具有柔性，可被扭转、弯折180°及拉伸。使用冷场发射扫描电镜对单离子柔性水凝胶电解质的内部结构进行表征。如图2所示，水凝胶电解质内部具有均匀分布的孔状结构，并且从元素分布能谱图中也可以看出锌离子在水凝胶电解质中均匀分布。
如图3所示，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和其与氧化锌反应后得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌盐单体的拉曼光谱；通过对反应前后的拉曼图谱对比可以看出，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸在1262cm-1、1412cm-1和1624cm-1处的磺酸基团对称振动峰消失，对应其与氧化锌反应后变为磺酸锌，对称振动改变。如图4所示，反应物与产物实施例1红外光谱图对比；通过对2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、纯聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇丙烯酸酯和实施例1的红外谱图进行对比。通过对比前两者的红外图谱可以看出纯聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌在1622cm-1处的对应双键的峰消失，表示聚合的进行。聚乙二醇双丙烯酸酯在1724cm-1处有明显的尖峰，对应酯类中的羰基伸缩振动，该峰在与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌共同聚合后表现为实施例1中1610cm-1至1670cm-1处的宽峰，证明共同聚合的实现。再将实施例1—3产物进行红外光谱对比，如图5所示，实施例2、3与实施例1的红外基本相同。
将水凝胶在硅橡胶模具中，制备为底面直径为1cm，高为3cm的圆柱体，初始压力0N，压缩测试位移速度10mm/min，施加压力进行压缩，压力随之增大，直至压碎或者达到指定位移(最大90％)。使用万能拉力试验机对实施例1与对比例2制备的水凝胶电解质的压缩强度进行表征。如图6所示，从压缩应力应变曲线上可以看出，实施例1所制备的单离子导电柔性水凝胶电解质的压缩应力远大于对比例2一般聚丙烯酰胺水凝胶电解质，且上升迅速。这表明所制备的单离子导电水凝胶电解质具有高抗压的特性。如图7所示，为实施例2与实施例3的应力应变曲线，从图中可以看出，降低了聚乙二醇二丙烯酸酯加入量的实施例2由于交联密度的下降，压缩应变提高压缩应力下降，但在65.6％的应变下仍具有0.52MPa的高抗压强度。而实施例3则由于聚乙二醇二丙烯酸酯加入量的增多，抗压强度达0.94MPa，压缩应变为51.8％。
使用仪器Neware BTS-5V10mA电池检测设备对对比例1与实施例1水凝胶电解质的Zn||Zn对称电池进行长时间锌沉积/剥离表征，如图8与图9所示。从中可以看出，由于实施例1所制备的单离子导电柔性水凝胶电解质对锌枝晶及副反应的抑制作用，可在1mA/cm2的电流密度下稳定循环超过1100h，而对比例1所用的液体硫酸锌电解质在90h后就发生失效。在2mA/cm2电流密度下，实施例1仍能稳定循环400h，远超对比例1。再看实施例2和3，如图10所示，实施例2与实施例3的稳定循环时间分别为720h和940h，均远高于对比例1，稳定时间短于实施例1，与实施例1接近。
使用仪器电化学工作站CHI660e对实施例1的循环伏安曲线进行表征，如图11所示。从图11中可以看出，使用实施例1制备的单离子导电柔性水凝胶电解质的全电池循环伏安曲线表现出一组对称的两个氧化还原峰；并且在连续4次循环后基本不发生变化，表明电池稳定循环。
使用仪器Neware BTS-5V10mA电池检测设备对实施例1与对比例1的多次充放电比容量和库伦效率变化进行表征。从图12可以看出，对比例1的全电池在150圈后容量即发生迅速衰减，电池失效。而实施例1组装的全电池比容量保持良好，在1800圈后仍能正常循环，库伦效率接近100％。使用仪器冷场发射扫描电镜和X射线衍射仪对实施例1和对比例1所组装全电池在多次循环后的锌负极形貌进行表征。如图13所示，实施例1的锌负极表面平整，无明显锌枝晶。而对比例1的锌负极具有明显的不均匀沉积。图14中X射线衍射图谱中也可看出对比例1上出现副产物碱式碳酸锌的衍射峰，且实施例1中较为平整的(002)晶面占比更高。再看图15，实施例2、3的全电池多次循环后锌负极表面SEM图像，从图中可以看出，实施例2与实施例3的全电池多次循环后锌负极表面均较为平整，与实施例1效果接近。
使用仪器电化学工作站CHI660e对实施例1、2、3与对比例1的离子电导率进行测试，从图16中可以看出，所制备的实施例1、2、3中，实施例1具有最高的离子电导率。与普通的对比例1相比，高抗压、单离子导电柔性水凝胶电解质在具有高抗压、优良柔性和防止电解液泄露功能的同时，离子电导率未下降与对比例1相当，综合性能优异。
使用仪器电化学工作站CHI660e对实施例1的锌离子迁移数和实施例1与对比例1的Tafel曲线进行表征，如图17所示。从图中可以计算得出本单离子导电柔性水凝胶电解质的锌迁移数为0.79，具有高的锌离子迁移数，证明实施例1所制备的水凝胶电解质离子导电的效率。图17中实施例1的腐蚀电流密度远小于对比例1，证明实施例1水凝胶电解质对锌负极的稳定作用。从图18中可以看出，实施例2与实施例3的腐蚀电流分别为15.85μA/cm2和19.95μA/cm2，腐蚀电流均远小于对比例1的512μA/cm2，证明其对锌负极的优异稳定能力。
使用仪器Neware BTS-5V10mA电池检测设备对实施例1的单离子导电柔性电解质组装全电池的倍率性能进行测试，如图19所示；与之对应的充放电曲线，如图20所示。实施例1组装的全电池在各个电流密度下均能稳定工作，库伦效率接近100％，在高电流密度下仍具有100mAh/g的比容量。
根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现本发明水凝胶的制备，经测试，均表现出与本发明基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.单离子导电柔性水凝胶电解质，其特征在于，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌和聚乙二醇二丙烯酸酯进行共聚，再将共聚产物在硫酸锌水溶液中进行浸泡，以得到单离子导电柔性水凝胶电解质，其中：
进行共聚时，选择将均匀分散2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇二丙烯酸酯以及引发剂的溶液，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌的物质的量浓度应为1—5mol/L，聚乙二醇二丙烯酸酯与溶剂水的质量比为(1—10)：100，引发剂与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌的物质的量之比为1：(200—500)；引发剂为光引发剂，聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量应为400～1000；在波长365nm紫外灯下照射5-30min；
在硫酸锌水溶液中，硫酸锌的物质的量的浓度为1—2.5mol/L；浸泡时间为1～6h。
2.根据权利要求1所述的单离子导电柔性水凝胶电解质，其特征在于，光引发剂为2-酮戊二酸。
3.根据权利要求1所述的单离子导电柔性水凝胶电解质，其特征在于，在硫酸锌溶液中，硫酸锌的物质的量的浓度为1—2mol/L；浸泡时间为1～6h。
4.根据权利要求1所述的单离子导电柔性水凝胶电解质，其特征在于，在波长365nm紫外灯下照射10—20min，以进行共聚。
5.根据权利要求1所述的单离子导电柔性水凝胶电解质，其特征在于，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌的物质的量浓度应为2—5mol/L，聚乙二醇二丙烯酸酯与溶剂水的质量比为(6—8)：100。
6.单离子导电柔性水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌和聚乙二醇二丙烯酸酯进行共聚，再将共聚产物在硫酸锌水溶液中进行浸泡，以得到单离子导电柔性水凝胶电解质，其中：
进行共聚时，选择将均匀分散2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌、聚乙二醇二丙烯酸酯以及引发剂的溶液，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌的物质的量浓度应为1—5mol/L，聚乙二醇二丙烯酸酯与溶剂水的质量比为(1—10)：100，引发剂与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌的物质的量之比为1：(200—500)；引发剂为光引发剂，聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量应为400～1000；在波长365nm紫外灯下照射5-30min；
在硫酸锌水溶液中，硫酸锌的物质的量的浓度为1—2.5mol/L；浸泡时间为1～6h。
7.根据权利要求6所述的单离子导电柔性水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，在硫酸锌水溶液中，硫酸锌的物质的量的浓度为1—2mol/L；浸泡时间为1～6h。
8.根据权利要求6所述的单离子导电柔性水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，光引发剂为2-酮戊二酸，在波长365nm紫外灯下照射10—20min，以进行共聚。
9.根据权利要求6所述的单离子导电柔性水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌的物质的量浓度应为2—5mol/L，聚乙二醇二丙烯酸酯与溶剂水的质量比为(6—8)：100。
10.如权利要求1—5中任意一项所述的单离子导电柔性水凝胶电解质在锌离子电池中的应用，其特征在于，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸锌和聚乙二醇二丙烯酸酯进行共聚，阴离子固定于高分子链，锌阳离子在聚阴离子通道上移动，单锌离子导电，同时聚乙二醇二丙烯酸酯上的醚键引导锌离子的传输。
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