一种低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质及其制备方法和应用

本发明属于锌-空气电池领域，特别涉及一种低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、在诸多新型储能器件中，锌-空气电池以低廉的成本，绝对的安全性和较高的理论能量密度(1084wh kg-1)成为了新一代储能设备的最佳备选之一。但传统的锌-空气电池存在诸多问题，如电解液的挥发和泄露等问题严格限制了锌-空气电池的进一步发展。固态锌-空气电池因其易折叠，可弯曲，无电解质泄露等优点引起了人们的广泛关注和深入研究。

3、例如：专利cn114725583a公开了有机凝胶电解质及其制备的极低温锌-空气电池和方法，包括：将凝胶单体、交联剂、引发剂、有机抗冻剂、增强剂和水搅拌均匀后，倒入模具中进行密封，置于烘箱中固化后，脱模，切片，置于碱性电解液中，浸泡，即成。但该专利只关注了纤维素的物理作用，将其作为增强剂使用，锌-空气电池的性能仍有待提升。

4、当前阻碍固态锌-空气电池发展的关键问题在于固态电解质的电导率较低、机械性能较差、保水能力较弱等，无法供给电池长时间工作以及特殊环境(寒冷条件)下持续供电。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质及其制备方法和应用。本发明的制备方法便捷，原料来源简单且成本低廉，适用于工业化生产的有机凝胶电解质和低温锌-空气电池。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面，提供了一种低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质，包括：

4、将纤维素浆料溶于二甲基亚砜溶液中，加热并搅拌至形成胶状液体，即为溶液a；

5、将聚乙烯醇加入到所述溶液a中，加热搅拌至聚乙烯醇完全溶解，脱除气泡，形成溶液b；

6、将所述溶液b加入到模具中，冷冻后解冻，得到纤维素增强的有机凝胶；

7、将所述纤维素增强的有机凝胶置于碱/锌盐复合体系中进行离子交换，即得；

8、所述纤维素浆料与聚乙烯醇的用量比为1～10：1.5～2。

9、本发明开发出了一种机械性能良好、离子运输能力优异，保水能力较强且耐受寒冷条件的有机凝胶电解质替代传统电解质，对于锌-空气电池的发展以及清洁能源转换具有重要意义。

10、本发明主要利用纤维素之间的氢键，聚乙烯醇之间的氢键以及纤维素和聚乙烯醇之间的氢键增强有机凝胶电解质的机械性能，由于纤维素丰富的羟基结构可以明显增强有机凝胶的导电性以及保水能力，进一步引入二甲基亚砜作为保水剂以及抗冻剂，通过溶胶-凝胶的方法形成有机凝胶体系，有效克服目前技术上存在的缺陷，提供了高机械强度，高离子电导率，高保水能力和具有耐低温能力的有机凝胶电解质。

11、本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质。

12、本发明的第三个方面，提供了一种低温固态锌-空气电池，从上到下依次由空气阴极，上述的有机凝胶电解质和锌阳极组成；

13、所述空气电极的组成为从上到下依次为集流体和催化剂层。

14、本发明的有益效果

15、(1)本发明引入的纤维素具有较多的羟基，具有较好的亲水性和保水能力，可以大幅提升电解质的吸附率，提升凝胶的离子电导率，如图3、图5所示，同时可以提升固态电解质的机械性能(凝胶的应力可达0.35mpa，应变可达625％)。

16、(2)本发明引入二甲基亚砜作为防冻剂以及保水剂，大幅提升了有机凝胶的保水能力(组装的电池可以达到120h的稳定)以及低温运行能力。

17、(3)本发明组装的低温柔性锌-空气电池的有机凝胶电解质是固态电解质，克服了传统电池的电解液泄露封装困难等问题，同时可以在低温环境下稳定运行。机械性能的提高可以拓展电池的使用场景，诸如拉伸条件，挤压条件下的运行等。

18、(4)本发明提出的有机凝胶组装的锌-空气电池制备方法简单，成本低廉，安全绿色，对于柔性锌-空气电池以及低温锌-空气电池的实际生产应用具有重要意义。

19、(5)与专利cn114725583a将纤维素作为增强剂相比，本发明首先是将纤维素用二甲基亚砜完全溶解，可以与聚乙烯醇更好的进行物理以及化学交联，增加其两者之间的氢键作用，赋予凝胶更好的拉伸性能。同时，采用冷冻-解冻法有助于凝胶内部形成更好的氢键作用，从而提高凝胶的机械性能。

技术特征：

1.一种低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质，其特征在于，所述纤维素浆料的质量浓度为1％～2％；

3.如权利要求1所述的低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质，其特征在于，所述加热并搅拌至形成胶状液体的具体条件为：加热温度为45～65℃，搅拌转速为200～800r/min，溶解时间为1～3h。

4.如权利要求1所述的低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质，其特征在于，所述加热搅拌至聚乙烯醇完全溶解的具体条件为：加热温度为90～95℃，所述转速为200～800r/min，搅拌时间为1～4h。

5.如权利要求1所述的低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质，其特征在于，所述冷冻温度为-20～-60℃，冷冻时间为12～24h。

6.如权利要求1所述的低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质，其特征在于，所述碱/锌盐复合体系由碱、锌盐和水/二甲基亚砜的混合溶剂组成。

7.如权利要求1所述的低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质，其特征在于，所述碱为氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化铷中的一种或几种，摩尔浓度为4～12mol/l；

8.权利要求1-7任一项所述的方法制备的低温固态锌-空气电池有机凝胶电解质。

9.一种低温固态锌-空气电池，其特征在于，从上到下依次由空气阴极，权利要求8所述的有机凝胶电解质和锌阳极组成；

10.如权利要求9所述的低温固态锌-空气电池，其特征在于，所述集流体为商用泡沫镍/商用碳布/商用碳纸中的一种；

技术总结
本发明属于锌‑空气电池领域，提供了一种低温固态锌‑空气电池有机凝胶电解质及其制备方法和应用，包括：将纤维素浆料溶于二甲基亚砜溶液中，加热并搅拌至形成胶状液体，即为溶液A；将聚乙烯醇加入到所述溶液A中，加热搅拌至聚乙烯醇完全溶解，脱除气泡，形成溶液B；将所述溶液B加入到模具中，冷冻后解冻，得到纤维素增强的有机凝胶；将所述纤维素增强的有机凝胶置于碱/锌盐复合体系中进行离子交换，即得。本发明制备了一种机械性能良好、离子运输能力优异，保水能力较强且耐受寒冷条件的有机凝胶电解质。制备方法便捷，原料来源简单且成本低廉，适用于工业化生产的有机凝胶电解质和低温锌‑空气电池。

技术研发人员：赵洋洋,张磊,孙奥然,赵鹏华,邱程龙
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13