一种锌离子电池固态电解质的制作方法

本发明涉及一种锌离子电池固态电解质，以及使用该电解质的锌离子固态电池。

背景技术：

固态电解质是一类具有离子导电性的固体材料，可作为电解质应用在电池中。与传统的液态电解质相比，固态电解质不易燃，不易短路，具有安全性更高的优势。通常采用的固态电解质为无机盐，其导电性来源于较小离子(如锂离子)在晶格间隙的穿梭。

锌离子电池是一类具有潜力的电池。金属锌具有高理论比容量(820mahg^-1)和丰富的来源。目前未见锌离子电池使用固态电解质(不包括凝胶电解质)的报道。

技术实现要素：

本发明研制了一种锌离子电池固态电解质，由氯化锌-溴化锌-醋酸锌三元体系经高温处理得到。所述氯化锌-溴化锌-醋酸锌三元体系通过以下方法制备得到：将氯化锌、溴化锌和醋酸锌到分散水中，加热溶解后冷却，得到盐总浓度为60～100molkg^-1的氯化锌-溴化锌-醋酸锌三元体系。其中，氯化锌的浓度范围为20～30molkg^-1，溴化锌的浓度范围为20～30molkg^-1，醋酸锌的浓度范围为20～40molkg^-1。所述高温处理为160～180℃加热处理。

进一步的，锌离子电池正极为碳材料，负极为金属锌、含锌合金或金属锌、含锌合金或其它可负载锌的惰性导电基底。

进一步的，所述碳材料包括碳纳米管、天然石墨、膨胀石墨、石墨烯、石墨烯组装体及其它具有石墨晶格结构的碳材料。

本发明的有益效果在于，本发明提供了一种锌离子电池固态电解质，其电导率达10^-6sm^-1。解决了锌离子固态电池的技术瓶颈，使得锌离子固态电池成为可能。相比于其他固态电池，基于本发明电解质的锌离子固态电池具有成本低，制备简单的特点。

附图说明

图1为由总浓度为60molkg-1的氯化锌-溴化锌-醋酸锌水系凝胶经180℃处理所得的固态电解质照片。

具体实施方式

本发明以来源广泛的氯化锌、溴化锌、醋酸锌和去离子水为原料，先制备三元体系，再通过对其高温处理制备固态电解质。

其中，高浓度三元体系的制备是获得固态电解质的基础，本发明基于“封端”作用，抑制结晶过程并使体系内的无机离子形成三维无机高分子，得到的胶状体具有类似水凝胶的性质，将该三元体系置于菌种瓶中，倒扣后该三元体系不会流动。

本发明中，除特别说明，浓度均采用溶质溶剂比表示，60～100molkg^-1指的是每千克水所溶解的溶质的物质的量为60～100mol。

下面通过实施例对本发明进行具体描述，本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。

实施例1：

(1)将0.2mol氯化锌、0.2mol溴化锌和0.2mol醋酸锌依次加入到10g去离子水中，加热至120℃溶解，自然冷却至室温得到总浓度为60molkg^-1的氯化锌-溴化锌-醋酸锌水系胶状体。

(2)将步骤1得到的胶状体在180℃条件下加热5分钟，冷却可得固态电解质，见图1。

(3)将步骤1得到的胶状体在180℃条件下加热5分钟，浇在聚四氟乙烯膜上，其上覆盖第二层聚四氟乙烯膜，压铁块，冷却以获得厚度为0.1mm的薄片。

(4)测得薄片电导率为10^-6sm^-1。测试方法为：将钛箔、固态电解质薄片和钛箔依次叠加到swaglok电池模具中加压热封。使用交流阻抗方法测得其电阻，通过计算可得其电导率。

(5)将锌负极、固态电解质薄片和石墨烯膜正极依次叠加到电池模具中加压热封。得到的电池单体在0.1ag^-1的电流密度下，其质量比容量为40mahg^-1(基于正极活性物质计算)。

本实施例的步骤3中，也可以将步骤2得到的固态进行重新加热至160～200摄氏度，熔化后进行浇筑成型。

实施例2：

(1)将0.3mol氯化锌、0.3mol溴化锌和0.4mol醋酸锌依次加入到10g去离子水中，加热至130℃溶解，自然冷却至室温得到总浓度为100molkg^-1的氯化锌-溴化锌-醋酸锌水系胶状体。

(2)将步骤1得到的胶状体在180℃条件下加热5分钟，浇在聚四氟乙烯膜上，其上覆盖第二层聚四氟乙烯膜，压铁块，冷却以获得厚度为0.1mm的薄片。

(3)测得其电导率为8×10^-7sm^-1。

(4)将锌负极、固态电解质薄片和膨胀石墨正极依次叠加到电池模具中加压热封。得到的电池单体在0.1ag^-1的电流密度下，其质量比容量为30mahg^-1(基于正极活性物质计算)。

实施例3：

(1)将0.2mol氯化锌、0.2mol溴化锌和0.2mol醋酸锌依次加入到10g去离子水中，加热至120℃溶解，自然冷却至室温得到总浓度为60molkg^-1的氯化锌-溴化锌-醋酸锌水系胶状体。

(2)将步骤1得到的胶状体在160℃条件下加热10分钟，浇在聚四氟乙烯膜上，其上覆盖第二层聚四氟乙烯膜，压铁块，冷却以获得厚度为0.1mm的薄片。

(3)测得其电导率为10^-6sm^-1。

(4)将锌负极、固态电解质薄片和石墨烯膜正极依次叠加到电池模具中加压热封。得到的电池单体在0.1ag^-1的电流密度下，其质量比容量为38mahg^-1(基于正极活性物质计算)。

实施例4：

(1)将0.3mol氯化锌、0.3mol溴化锌和0.4mol醋酸锌依次加入到10g去离子水中，加热至120℃溶解，自然冷却至室温得到总浓度为100molkg^-1的氯化锌-溴化锌-醋酸锌水系胶状体。

(2)将步骤1得到的胶状体在200℃条件下加热1分钟，浇在聚四氟乙烯膜上，其上覆盖第二层聚四氟乙烯膜，压铁块，冷却以获得厚度为0.1mm的薄片。

(3)测得其电导率为6×10^-7sm^-1。

(4)将锌负极、固态电解质薄片和天然石墨正极依次叠加到电池模具中加压热封。得到的电池单体在0.1ag^-1的电流密度下，其质量比容量为2mahg^-1。

技术特征：

1.一种锌离子电池固态电解质，其特征在于，由氯化锌-溴化锌-醋酸锌三元体系经高温处理得到。所述氯化锌-溴化锌-醋酸锌三元体系通过以下方法制备得到：将氯化锌、溴化锌和醋酸锌到分散水中，加热溶解后冷却，得到盐总浓度为60～100molkg^-1的氯化锌-溴化锌-醋酸锌三元体系。其中，氯化锌的浓度范围为20～30molkg^-1，溴化锌的浓度范围为20～30molkg^-1，醋酸锌的浓度范围为20～40molkg^-1。所述高温处理为在160～200℃下加热1～10min。

2.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，锌离子电池正极为碳材料，负极为金属锌、含锌合金或金属锌、含锌合金或其它可负载锌的惰性导电基底。

3.根据权利要求2所述的固态电解质，其特征在于，所述碳材料包括碳纳米管、天然石墨、膨胀石墨、石墨烯、石墨烯组装体及其它具有石墨晶格结构的碳材料。

技术总结
本发明公开了一种锌离子电池固态电解质，由高温处理氯化锌‑溴化锌‑醋酸锌三元体系所得。该固态电解质具有较高的离子电导率(10‑6S m‑1)，将其组装成锌离子固态电池，正极比容量可达40mAh g‑1。该固态电解质制备简单，成本低廉，有望在储能领域获得应用。

技术研发人员：高超;褚星远
受保护的技术使用者：杭州高烯科技有限公司
技术研发日：2020.05.01
技术公布日：2020.08.07