保水凝膠電解質的制備、性能及其應用

1、保水凝膠電解質的制備、性能及其應用摘要：針對傳統(tǒng)柔性鋅空電池所用的凝膠電解質易失水，壽命短的問題，本文 采用TEAOH作為保水材料，加入到PVA-KOH傳統(tǒng)凝膠體系中，制備了 TEAOH- PVA-KOH復合電解質，研究了其失水特性與在柔性鋅空電池中的電池性能。研究 發(fā)現(xiàn)，TEAOH-PVA-KOH具有良好的保水性能，同時，能夠使所制備的柔性鋅空電 池具有1V的放電平臺與2V的充電平臺。關鍵詞：四乙基氫氧化銨，保水，凝膠電解質，柔性鋅空電池1引言柔性鋅空電池具有較高的理論能量密度，可達1086 W h/kg，是鋰電池的35 倍1；同時，具有較好的柔性與安全性，可作為柔性儲能器件被應用于能量需求

2、 較高的柔性電子器件2。目前，所研究的柔性鋅空電池主要由鋅負極，半固態(tài)凝 膠電解質，以及搭載有催化劑的空氣電極組成。其中，對于負載催化劑的空氣電 極研究較為廣泛，而對于凝膠電解質的研究較少。已有報道的柔性鋅空電池所使用的凝膠電解質主要是PVA-KOH體系，PVA- KOH 凝膠電解質在空氣中易失水，尤其是電池充放電循環(huán)時失水現(xiàn)象更為嚴重， 凝膠表面溢出的水會淹沒空氣電極，造成空氣電極催化劑失效，使得充放電性能 下降，循環(huán)壽命短，大大限制了柔性鋅空電池的大規(guī)模應用。因此，對于提升凝 膠電解質的保水性能，具有重大意義。針對以上背景，本文創(chuàng)新性的提出將TEAOH引入到傳統(tǒng)的PVA-KOH凝膠電 解質

3、體系中，使凝膠電解質具有良好的保水性能和高OH-離子濃度，同時也提升 了離子遷移率。該凝膠電解質在柔性鋅空電池的應用，在保持電池的循環(huán)性能下， 又延長了循環(huán)壽命。對于推動柔性鋅空電池的實際應用具有重要意義。2實驗2.1實驗原料聚乙烯醇（PVA MW195000，上海邁瑞爾化學技術有限公司）；四乙基氫氧 化銨（TEAOH MW 147.26, 35 wt%，薩恩化學技術上海有限公司）；氫氧化鉀 （KOH試劑純95%，上海麥克林生化科技有限公司）；二次去離子水作為實驗用 水。2.2電解質的制備TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質的制備首先，用量筒量取35 wt%的TEAOH 水溶液9 mL倒入

4、燒杯中，用磁力攪拌器快速攪拌。隨后，用天平稱量0.5 g KOH 加入到溶液中，攪拌至溶解，并恢復室溫。然后，用天平稱量1 g PVA，緩慢加入 到含有KOH的TEAOH水溶液中，并快速攪拌，使PVA均勻分散在溶液中，避免 產生團聚。最后將混合液轉移至水浴鍋加熱，由室溫加熱至90 C，使液體成為 膠狀液體，將膠狀液體倒入容器冷凍交聯(lián)3 h，自然解凍，形成保水凝膠電解質。PVA-KOH傳統(tǒng)凝膠電解質的制備首先，用天平稱量1 g PVA加入到7 mL二次 去離子水中，溶脹后，轉移至水浴鍋加熱，由室溫加熱至90 C，至PVA全部溶 解。隨后，加入3 mL含有1 g KOH的水溶液，繼續(xù)加熱攪拌，直至

5、溶液呈透明淡 黃色。然后，將膠狀液體倒入容器冷凍交聯(lián)24上自然解凍，形成傳統(tǒng)凝膠電 解質。2.3電解質的失水觀察將制備好的TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質和PVA-KOH傳統(tǒng)凝膠電解質， 同時分別放在兩個相同大小的培養(yǎng)皿中進行失水觀察，2、6和16 h后對兩種電解質進行拍照記錄。2.4電解質的性能測試以負載四氧化三鉆的碳布電極作為空氣正極，以TEAOH-PVA-KOH保水凝膠作 為電池隔膜與電解質，以鋅片作為負極，制備成三明治疊層柔性鋅空電池。采用 藍電電池測試系統(tǒng)對電池進行電流密度為1 mA/cm2,充電、放電時間各為20 min 的恒電流充放電循環(huán)測試。3實驗結果與討論3.1 TE

6、AOH-PVA-KOH保水凝膠電解質采用上述制備方法，制得了 TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質，如圖1所示。 所制備的TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質，形如果凍，顏色為棕黃色，具有良好 的柔性和保濕性能，同時又具有一定的機械強度和粘度。TEAOH-PVA-KOH保水凝 膠電解質，在一定程度的拉伸、壓縮和揉捏下，可恢復形狀。圖1 TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質3.2失水情況對比如圖2所示，分別是TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質和PVA-KOH傳統(tǒng)凝膠 電解質的原始狀態(tài)、空氣中放置2、6和16 h后狀態(tài)的照片。從圖中，我們可以 發(fā)現(xiàn)，PVA-KOH傳統(tǒng)凝膠電解質的

7、保水性能較差，在2 h后就開始失水，表面出 現(xiàn)部分的液體，在6 h后開始出現(xiàn)形狀收縮，無法保持原始狀態(tài)。相比之下， TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質的保水性能較強，在16 h后就才逐漸在表面出 現(xiàn)少量的液體，出現(xiàn)溢水的狀態(tài)，但其形狀保持良好。所出現(xiàn)的液體可能是因為 電解質呈堿性，對空氣中的水分具有吸收作用。圖3，TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質為隔膜和電解質的柔性鋅空電池以1 mA/cm2電流 密度恒電流充放電循環(huán)結果4結論與展望本文制備了 TEAOH-PVA-KOH保水凝膠電解質，與PVA-KOH傳統(tǒng)凝膠電解質進行了失水 情況對比，結果表明，TEAOH的加入能夠大大提升了凝膠

8、電解質的保水性能。同時，該電解 質具有良好的電化學性能，柔性鋅空電池具有較高的放電平臺和較低的充電平臺，以及較高 的循環(huán)穩(wěn)定性和較長的使用壽命。通過保水材料的引入，能夠在一定程度改善傳統(tǒng)凝膠電解質的失水情況。相信，更加深 入的研究，能夠使凝膠電解質性能進一步提升，在柔性鋅空電池中得到應用。參考文獻Y. Li, H. Dai, Recent advances in zinc-air batteries, Chemical Society Reviews, 43 (2014) 5257-5275.Y. Li, C. Zhong, J. Liu, X. Zeng, S. Qu, X. Han, Y.

9、 Deng, W. Hu, J. Lu, Atomically Thin Mesoporous Co3O4 Layers Strongly Coupled with N-rGO Nanosheets as High-Performance Bifunctional Catalysts for 1D Knittable Zinc-Air Batteries, Advanced Materials, 30 (2018) 1703657.Y. Xu, Y. Zhang,乙 Guo, J. Ren, Y. Wang, H. Peng, Flexible, Stretchable, and Rechargeable Fiber-Shaped Zinc-Air Battery Based on Cross-Stacked Carbon Na