保水凝胶电解质的制备、性能及其应用

1、保水凝胶电解质的制备、性能及其应用摘要：针对传统柔性锌空电池所用的凝胶电解质易失水，寿命短的问题，本文 采用TEAOH作为保水材料，加入到PVA-KOH传统凝胶体系中，制备了 TEAOH- PVA-KOH复合电解质，研究了其失水特性与在柔性锌空电池中的电池性能。研究 发现，TEAOH-PVA-KOH具有良好的保水性能，同时，能够使所制备的柔性锌空电 池具有1V的放电平台与2V的充电平台。关键词：四乙基氢氧化铵，保水，凝胶电解质，柔性锌空电池1引言柔性锌空电池具有较高的理论能量密度，可达1086 W h/kg，是锂电池的35 倍1；同时，具有较好的柔性与安全性，可作为柔性储能器件被应用于能量需求

2、 较高的柔性电子器件2。目前，所研究的柔性锌空电池主要由锌负极，半固态凝 胶电解质，以及搭载有催化剂的空气电极组成。其中，对于负载催化剂的空气电 极研究较为广泛，而对于凝胶电解质的研究较少。已有报道的柔性锌空电池所使用的凝胶电解质主要是PVA-KOH体系，PVA- KOH 凝胶电解质在空气中易失水，尤其是电池充放电循环时失水现象更为严重， 凝胶表面溢出的水会淹没空气电极，造成空气电极催化剂失效，使得充放电性能 下降，循环寿命短，大大限制了柔性锌空电池的大规模应用。因此，对于提升凝 胶电解质的保水性能，具有重大意义。针对以上背景，本文创新性的提出将TEAOH引入到传统的PVA-KOH凝胶电 解质

3、体系中，使凝胶电解质具有良好的保水性能和高OH-离子浓度，同时也提升 了离子迁移率。该凝胶电解质在柔性锌空电池的应用，在保持电池的循环性能下， 又延长了循环寿命。对于推动柔性锌空电池的实际应用具有重要意义。2实验2.1实验原料聚乙烯醇（PVA MW195000，上海迈瑞尔化学技术有限公司）；四乙基氢氧 化铵（TEAOH MW 147.26, 35 wt%，萨恩化学技术上海有限公司）；氢氧化钾 （KOH试剂纯95%，上海麦克林生化科技有限公司）；二次去离子水作为实验用 水。2.2电解质的制备TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质的制备首先，用量筒量取35 wt%的TEAOH 水溶液9 mL倒入

4、烧杯中，用磁力搅拌器快速搅拌。随后，用天平称量0.5 g KOH 加入到溶液中，搅拌至溶解，并恢复室温。然后，用天平称量1 g PVA，缓慢加入 到含有KOH的TEAOH水溶液中，并快速搅拌，使PVA均匀分散在溶液中，避免 产生团聚。最后将混合液转移至水浴锅加热，由室温加热至90 C，使液体成为 胶状液体，将胶状液体倒入容器冷冻交联3 h，自然解冻，形成保水凝胶电解质。PVA-KOH传统凝胶电解质的制备首先，用天平称量1 g PVA加入到7 mL二次 去离子水中，溶胀后，转移至水浴锅加热，由室温加热至90 C，至PVA全部溶 解。随后，加入3 mL含有1 g KOH的水溶液，继续加热搅拌，直至

5、溶液呈透明淡 黄色。然后，将胶状液体倒入容器冷冻交联24上自然解冻，形成传统凝胶电 解质。2.3电解质的失水观察将制备好的TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质和PVA-KOH传统凝胶电解质， 同时分别放在两个相同大小的培养皿中进行失水观察，2、6和16 h后对两种电解质进行拍照记录。2.4电解质的性能测试以负载四氧化三钻的碳布电极作为空气正极，以TEAOH-PVA-KOH保水凝胶作 为电池隔膜与电解质，以锌片作为负极，制备成三明治叠层柔性锌空电池。采用 蓝电电池测试系统对电池进行电流密度为1 mA/cm2,充电、放电时间各为20 min 的恒电流充放电循环测试。3实验结果与讨论3.1 TE

6、AOH-PVA-KOH保水凝胶电解质采用上述制备方法，制得了 TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质，如图1所示。 所制备的TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质，形如果冻，颜色为棕黄色，具有良好 的柔性和保湿性能，同时又具有一定的机械强度和粘度。TEAOH-PVA-KOH保水凝 胶电解质，在一定程度的拉伸、压缩和揉捏下，可恢复形状。图1 TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质3.2失水情况对比如图2所示，分别是TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质和PVA-KOH传统凝胶 电解质的原始状态、空气中放置2、6和16 h后状态的照片。从图中，我们可以 发现，PVA-KOH传统凝胶电解质的

7、保水性能较差，在2 h后就开始失水，表面出 现部分的液体，在6 h后开始出现形状收缩，无法保持原始状态。相比之下， TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质的保水性能较强，在16 h后就才逐渐在表面出 现少量的液体，出现溢水的状态，但其形状保持良好。所出现的液体可能是因为 电解质呈碱性，对空气中的水分具有吸收作用。图3，TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质为隔膜和电解质的柔性锌空电池以1 mA/cm2电流 密度恒电流充放电循环结果4结论与展望本文制备了 TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质，与PVA-KOH传统凝胶电解质进行了失水 情况对比，结果表明，TEAOH的加入能够大大提升了凝胶

8、电解质的保水性能。同时，该电解 质具有良好的电化学性能，柔性锌空电池具有较高的放电平台和较低的充电平台，以及较高 的循环稳定性和较长的使用寿命。通过保水材料的引入，能够在一定程度改善传统凝胶电解质的失水情况。相信，更加深 入的研究，能够使凝胶电解质性能进一步提升，在柔性锌空电池中得到应用。参考文献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