本發(fā)明屬于電池，尤其涉及一種強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法以及在水系鋅碘電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)作為新能源發(fā)展的核心支撐，可有效解決太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能等綠色新能源的隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性和分散性等問(wèn)題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)新能源電源大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用具有重大意義?？沙浞烹娝典\碘電池是一種新型二次電池體系，主要通過(guò)活性物質(zhì)的“固液轉(zhuǎn)化”實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與釋放，即zn2+zn（-0.76vvs.she，820mah?g-1）與i2i-(0.54vvs.she，211mah?g-1)，該機(jī)制反應(yīng)動(dòng)力學(xué)快，而且高離子電導(dǎo)率水系電解液的引入不僅進(jìn)一步提升了體系的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)，還保證體系的安全性。此外，活性物質(zhì)鋅元素和碘元素豐度高、成本低，使得鋅碘電池易于規(guī)?；苽?。然而，目前水系鋅碘二次電池的實(shí)際應(yīng)用主要受限于以下兩個(gè)因素：1、鋅負(fù)極枝晶與副反應(yīng)導(dǎo)致電池短路和降低電池庫(kù)倫效率；2、碘正極多碘離子的穿梭效應(yīng)顯著影響電池長(zhǎng)循環(huán)性能。

2、針對(duì)以上問(wèn)題，科研工作者開(kāi)展了大量的研究，但大多聚焦于抑制碘正極多碘離子的穿梭效應(yīng)，而對(duì)鋅負(fù)極沉積的調(diào)控效果有限。如cn107666015a公開(kāi)了一種水相電解質(zhì)體系鋅碘二次電池及其制備方法，該專(zhuān)利正極采用普通碳材料抑制多碘化物的形成，負(fù)極僅對(duì)電極進(jìn)行拋光處理；如cn117430824a公開(kāi)了一種氮摻雜空心mof材料及其制備方法和應(yīng)用，該專(zhuān)利未對(duì)鋅負(fù)極進(jìn)行優(yōu)化改性；如cn115693022a公開(kāi)了一種基于共價(jià)有機(jī)框架的鋅碘電池隔膜及其制備方法和應(yīng)用，也對(duì)鋅負(fù)極提高鋅離子沉積均勻性和抑制副反應(yīng)方面效果有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法以及在水系鋅碘電池中的應(yīng)用。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的目的之一在于提供一種強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，包括以下步驟：

4、將乙烯基吡咯烷酮與單體混合，加溶劑充分?jǐn)嚢?，然后加入交?lián)劑和引發(fā)劑進(jìn)行共聚反應(yīng)，得到聚乙烯吡咯烷酮基共聚物；

5、將所述聚乙烯吡咯烷酮基共聚物與生物質(zhì)糖類(lèi)混合，倒入模具中加熱處理，得到復(fù)合膜；

6、將所述復(fù)合膜置于鋅鹽溶液中浸泡，即得到強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)。

7、本發(fā)明以乙烯基吡咯烷酮與單體為原料制備了聚乙烯吡咯烷酮基共聚物，提高了聚乙烯吡咯烷酮在水溶液中的穩(wěn)定性，同時(shí)提高電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。生物質(zhì)糖類(lèi)含有大量極性官能團(tuán)，如羥基，羧基，醚鍵，氨基等，可以賦予聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)更強(qiáng)的粘結(jié)力，而且生物質(zhì)糖類(lèi)是從自然生物中提取的天然多糖，具有綠色，成本低和可生物降解等優(yōu)勢(shì)。

8、進(jìn)一步地，所述單體包括苯乙烯、氯乙烯、乙烯醇、乙酸乙烯酯、乙氧基乙烯、乙二醇乙烯醚、環(huán)己基乙烯醚、2-乙烯吡啶、碳酸乙烯亞乙酯、丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯腈和馬來(lái)酸中的一種或多種。

9、進(jìn)一步地，所述交聯(lián)劑為n,n'-亞甲基丙烯酰胺、n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺、環(huán)氧氯丙烷、過(guò)氧化二異丙苯、過(guò)氧化苯甲酰，二叔丁基過(guò)氧化物、過(guò)氧化氫二異、丙苯二乙烯基苯和二異氰酸酯中的一種或多種。

10、進(jìn)一步地，所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸鉀、過(guò)溴酸鈉、過(guò)氧化苯甲酰、過(guò)硫酸銨、過(guò)氧化月桂酰、偶氮雙二甲基戊腈、偶氮雙氰基戊酸鈉、苯甲酰、偶氮二異丙基咪唑啉鹽酸鹽、偶氮二氰基戊酸、偶氮二異丁腈和偶氮二異丁脒鹽酸鹽中的一種或多種。

11、進(jìn)一步地，所述生物質(zhì)糖類(lèi)包括海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、纖維素、殼聚糖、阿拉伯膠、瓜兒膠、淀粉、黃原膠、瓊脂、桃膠和環(huán)糊精中的一種或多種。

12、進(jìn)一步地，所述鋅鹽濃度為0.05-10mol/l，包括硫酸鋅、氯化鋅、高氯酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅、乙酸鋅、四氟硼酸鋅和雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺鋅中的一種或多種。

13、進(jìn)一步地，所述乙烯基吡咯烷酮與單體的摩爾比為（0.1-10）∶1；和/或

14、所述交聯(lián)劑的加入量為所述單體質(zhì)量的0.1-1%；和/或

15、所述引發(fā)劑的加入量為所述單體質(zhì)量的0.1-1%；和/或

16、所述共聚反應(yīng)的條件為：溫度20-100℃，時(shí)間1-48h；和/或

17、所述聚乙烯吡咯烷酮基共聚物與生物質(zhì)糖類(lèi)的質(zhì)量比為（0.1-10）∶1；和/或

18、所述加熱處理的條件為：溫度80℃，時(shí)間2h；和/或

19、所述浸泡的時(shí)間為1-48h。

20、本發(fā)明的目的之二在于提供一種強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)，是利用上述制備方法得到的。

21、本發(fā)明的目的之三在于提供一種水系鋅碘電池，包括所述的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)。

22、由于聚乙烯吡咯烷酮能與多碘離子形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，因此可以有效抑制正極多碘離子的穿梭效應(yīng)。凝膠電解質(zhì)中水分子數(shù)量少，也可以抑制多碘離子的穿梭效應(yīng)。凝膠電解質(zhì)的強(qiáng)粘結(jié)力提高電解質(zhì)與正極的界面穩(wěn)定性，有利于鋅離子穿梭，提高電池的性能。同時(shí)，由于凝膠電解質(zhì)中水分子數(shù)量少，也可以抑制鋅負(fù)極與水相關(guān)的副反應(yīng)。凝膠電解質(zhì)的強(qiáng)粘結(jié)力提高了電解質(zhì)與鋅負(fù)極的界面穩(wěn)定性，有利于鋅離子穿梭，提高電池的性能。凝膠電解質(zhì)可以提高鋅離子沉積過(guò)電勢(shì)，調(diào)節(jié)鋅離子通量，抑制鋅離子二維擴(kuò)散，提高鋅離子在負(fù)極沉積的均勻性。也就是說(shuō)，本發(fā)明制備的聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)不僅可以通過(guò)形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物和減少水分子數(shù)目抑制正極多碘離子的穿梭效應(yīng)，同時(shí)還可以通過(guò)電解質(zhì)的強(qiáng)粘結(jié)力提高電解質(zhì)與正極之間的穩(wěn)定性。所制備的聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)不僅可以通過(guò)減少水分子數(shù)目抑制鋅負(fù)極的副反應(yīng)，通過(guò)電解質(zhì)的強(qiáng)粘結(jié)力提高電解質(zhì)與負(fù)極之間的穩(wěn)定性，還能通過(guò)聚合物提高鋅離子沉積過(guò)電勢(shì)，調(diào)節(jié)鋅離子通量，抑制鋅離子二維擴(kuò)散，提高鋅離子在負(fù)極沉積的均勻性。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

24、本發(fā)明提供了強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，并將制備得到的凝膠電解質(zhì)應(yīng)用在水系鋅碘電池中，其優(yōu)點(diǎn)有：1）本發(fā)明提供的制備方法可以獲得機(jī)械強(qiáng)度高、具有強(qiáng)粘結(jié)力、綠色環(huán)保、成本低廉的聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)；2）本發(fā)明制備的聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)不僅可以抑制正極多碘離子的穿梭效應(yīng)，同時(shí)還可以提高電解質(zhì)與正極之間的穩(wěn)定性；3）本發(fā)明制備的聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)不僅可以抑制鋅負(fù)極的副反應(yīng)，提高電解質(zhì)與負(fù)極之間的穩(wěn)定性，還能提高負(fù)極鋅離子沉積均勻性。

技術(shù)特征：

1.一種強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述單體包括苯乙烯、氯乙烯、乙烯醇、乙酸乙烯酯、乙氧基乙烯、乙二醇乙烯醚、環(huán)己基乙烯醚、2-乙烯吡啶、碳酸乙烯亞乙酯、丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯腈和馬來(lái)酸中的一種或多種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述交聯(lián)劑為n,n'-亞甲基丙烯酰胺、n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺、環(huán)氧氯丙烷、過(guò)氧化二異丙苯、過(guò)氧化苯甲酰，二叔丁基過(guò)氧化物、過(guò)氧化氫二異、丙苯二乙烯基苯和二異氰酸酯中的一種或多種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸鉀、過(guò)溴酸鈉、過(guò)氧化苯甲酰、過(guò)硫酸銨、過(guò)氧化月桂酰、偶氮雙二甲基戊腈、偶氮雙氰基戊酸鈉、苯甲酰、偶氮二異丙基咪唑啉鹽酸鹽、偶氮二氰基戊酸、偶氮二異丁腈和偶氮二異丁脒鹽酸鹽中的一種或多種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述生物質(zhì)糖類(lèi)包括海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、纖維素、殼聚糖、阿拉伯膠、瓜兒膠、淀粉、黃原膠、瓊脂、桃膠和環(huán)糊精中的一種或多種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述鋅鹽濃度為0.05-10mol/l，包括硫酸鋅、氯化鋅、高氯酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅、乙酸鋅、四氟硼酸鋅和雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺鋅中的一種或多種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，

8.一種利用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)。

9.一種如權(quán)利要求8所述的強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)在水系鋅碘電池中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)的制備方法以及在水系鋅碘電池中的應(yīng)用，屬于電池技術(shù)領(lǐng)域。包括將乙烯基吡咯烷酮與單體混合，加溶劑充分?jǐn)嚢?，然后加入交?lián)劑和引發(fā)劑進(jìn)行共聚反應(yīng)，得到聚乙烯吡咯烷酮基共聚物；將所述聚乙烯吡咯烷酮基共聚物與生物質(zhì)糖類(lèi)混合，倒入模具中加熱處理，得到復(fù)合膜；將所述復(fù)合膜置于鋅鹽溶液中浸泡，即得到強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)。通過(guò)上述制備方法可以制備出一種強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)，該電解質(zhì)具有強(qiáng)粘結(jié)力和機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)具備綠色環(huán)保、低成本等優(yōu)點(diǎn)。該強(qiáng)粘性聚乙烯吡咯烷酮基凝膠電解質(zhì)可用于水系鋅碘電池的制備。

技術(shù)研發(fā)人員：嚴(yán)立京,康巧玲,孟憲赫,郭子浩,范美強(qiáng),馬廷麗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)計(jì)量大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28