一种基于离子液体的准固态电解质及其制备方法与应用

本发明属于能源材料，具体涉及到一种基于离子液体的准固态电解质及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着人们对高质量物质生活的重要需求，可折叠手机、传感器等柔性可穿戴电子设备正快速发展，由此也对储能器件提出了超薄、高能量密度、结构稳定等必要要求。锌-空气电池由于其高理论能量密度、成本低廉和稳定性优异等优点而获得广泛关注，对于锌-空气电池来说，要想实现其柔性结构，电解质是其关键的成分。

2、作为电池中必要的部件之一，电解质起到电极间隔层与传导离子等重要作用，电解质的离子传导作用对电池的工作电化学性能都有着较大影响。凝胶准固态电解质相比传统的电解液具有更高的安全性和环保性能，其良好的机械性能于灵活性能够有效避免电池电解液泄露带来的环境污染问题，同时相比全固态的电解质(如nafion树脂等)，凝胶准固态电解质的离子电导率也更高，目前基本能够达到10-3s·cm-1数量级，且其组装电池后结构灵活性和稳定性也更好。同时聚合物自身是完全绝缘的材料，这种半固态的凝胶基体也能够有效起到隔绝电极的作用，具备较高的安全性。

3、当前，研究者们已经对柔性锌空气电池进行了大量的研究，结果表明，大多数柔性锌空气电池耐受弯曲、扭曲、折叠、拉伸等能力仍然有限，且只能承受几十至几百次充放电循环，尚难进行可穿戴电子设备的大规模商业化应用。准固态电解质的开发应用仍然存在下列难点：

4、(1)电解质对外力的耐受性不佳，需要探索更加稳定的聚合物基体，用于制备机械性能更强的准固态电解质；(2)在保证机械性能的前提下，提高电解质离子电导率和保水性能，避免失水问题导致的电池性能下降；(3)要解决电解质与电极之间的接触问题。且由于准固态电解质的润湿性较差，导致空气正极上催化剂的性能难以发挥出与液态相当的水平，因此，开发高效稳定、机械性能优异的准固态电解质已成为当前柔性储能器件的重要方向之一。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种基于离子液体的准固态电解质，包括，所述基于离子液体的准固态电解质由n-n亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、过硫酸钾、二甲基亚砜、蒙脱土、氢氧化钾以及锌盐发生缩合反应得到。

4、本发明的另一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种基于离子液体的准固态电解质的制备方法。

5、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

6、以丙烯酰胺、n-n亚甲基双丙烯酰胺以及过硫酸钾为溶质，以超纯水和二甲基亚砜混合溶液为溶剂，超声搅拌得到均匀的混合溶液i；

7、向混合溶液i中加入蒙脱土，超声搅拌得到均匀的混合溶液ii；

8、将混合溶液ii倒入模具中，置于烘箱中聚合反应，形成pam@mmt凝胶；

9、以氢氧化钾、锌盐为溶质，以超纯水为溶剂，搅拌形成离子液体，加入到冷却至室温的pam@mmt凝胶中，室温静置，即得到基于离子液体的pam@mmt准固态电解质。

10、作为本发明所述基于离子液体的准固态电解质的一种优选方案，其中：所述混合溶液i中丙烯酰胺、n-n亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾的质量比为1000：1：(2～3)。

11、作为本发明所述基于离子液体的准固态电解质的一种优选方案，其中：所述混合溶液i中超纯水与二甲基亚砜的体积比为1：1。

12、作为本发明所述基于离子液体的准固态电解质的一种优选方案，其中：所述混合溶液i过硫酸钾的浓度为0.2～0.3g/ml。

13、作为本发明所述基于离子液体的准固态电解质的一种优选方案，其中：所述混合溶液ii中蒙脱土与过硫酸钾的质量比为(1～1.5)：1。

14、作为本发明所述基于离子液体的准固态电解质的一种优选方案，其中：所述离子液体，其中，氢氧化钾浓度为5～7mol/l，锌盐浓度为0.15～0.4mol/l。

15、作为本发明所述基于离子液体的准固态电解质的一种优选方案，其中：所述锌盐包括氧化锌、乙酸锌中的一种。

16、作为本发明所述基于离子液体的准固态电解质的一种优选方案，其中：所述基于离子液体的pam@mmt准固态电解质，离子液体的体积为pam@mmt凝胶的1/5。

17、本发明的再一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种基于离子液体的准固态电解质的应用，包括，以锌箔作为负极、涂覆商业pt/c和ruo2催化剂的碳布为空气电极、所述准固态电解质为电解质，将负极、电解质、空气电极组装后即得到柔性锌-空气电池。

18、本发明有益效果：

19、(1)本发明制备的基于离子液体的准固态电解质机械性能优异，具有出色的机械强度和拉伸性能，能够有效避免使用过程中损坏；同时其具有较小的扩散电阻以及优异的离子电导率，将其应用于柔性锌-空气电池中能够获得长时间的循环稳定性和较高的开路电压，在不同折叠角度下均可以保持正常放电。

20、(2)本发明的基于离子液体的准固态电解质能有效稳定锌物种沉积，抑制锌枝晶的生长，从而提高电池的可靠性和循环寿命。

21、(3)本发明通过加入蒙脱土，其中的阳离子能够与离子液体中的其他粒子发生离子交换，从而增加离子传输通道，加速传质；同时优化了蒙脱土与过硫酸钾的质量比，提升离子交换性能，从而促进电解液中离子的传输，提高了电池的导电性能。

22、(4)本发明合成方法简单易行，通过简单原料缩合反应即可得到电解质，解决了现有技术合成复杂，难以规模化制备的不足。

技术特征：

1.一种基于离子液体的准固态电解质，其特征在于：所述基于离子液体的准固态电解质由n-n亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、过硫酸钾、二甲基亚砜、蒙脱土、氢氧化钾以及锌盐发生缩合反应得到。

2.一种如权利要求1所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：包括，

3.如权利要求2所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：所述混合溶液i中丙烯酰胺、n-n亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾的质量比为1000：1：(2～3)。

4.如权利要求2或3所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：所述混合溶液i中超纯水与二甲基亚砜的体积比为1：1。

5.如权利要求2或3或4所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：所述混合溶液i中过硫酸钾的浓度为0.2～0.3g/ml。

6.如权利要求2所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：所述混合溶液ii中蒙脱土与过硫酸钾的质量比为(1～1.5)：1。

7.如权利要求2所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：所述离子液体中氢氧化钾的浓度为5～7mol/l。

8.如权利要求2或7所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：所述离子液体中锌盐的浓度为0.15～0.4mol/l。

9.如权利要求2或7所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：所述锌盐包括氧化锌、乙酸锌中的一种。

10.如权利要求2或6所述的基于离子液体的准固态电解质的制备方法，其特征在于：所述基于离子液体的pam@mmt准固态电解质，离子液体的体积为pam@mmt凝胶的1/5。

技术总结
本发明公开了一种基于离子液体的准固态电解质及其制备方法与应用，属于能源材料技术领域。本发明的准固态电解质是由N‑N亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、过硫酸钾、二甲基亚砜、蒙脱土、氢氧化钾、锌盐发生缩合反应制备得到的PAM@MMT凝胶材料，具有优异的机械强度、柔性和拉伸性能，满足柔性锌‑空气电池的实际应用需求，同时PAM@MMT准固态电解质具有出色的离子电导率和较小的扩散电阻，有利于活性物种的快速传输；以PAM@MMT凝胶材料为电解质组装的柔性锌‑空气电池表现出高的开路电压、可折叠稳定性以及充放电循环稳定性。本发明的合成方法简单易行、原材料易得，利于实施应用。

技术研发人员：李乐,王婉宁,韩美俊,孟祥军,许继星,赵鸿妍,陈志勇,张家豪,黎杰
受保护的技术使用者：江苏城乡建设职业学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15