一种两性离子水凝胶电解质及其制备方法和应用

本发明涉及超级电容器，具体涉及一种两性离子水凝胶电解质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、由于化石能源的大幅减少以及人们对可穿戴电子设备需求的不断增加，越来越多的人们对先进的电化学储能设备进行了更为深入的研究，这些设备具有卓越的机械性能、高能量/功率密度、长工作寿命、出色的安全性、成本效益和生态友好性等综合特点。特别是，基于水凝胶电解质的水基锌离子混合电容器(zihcs)凭借其固有的无毒、低成本、安全和出色的机械性能而脱颖而出。

2、然而，由于水凝胶网络中大量的水不可避免地被冻结，传统的水凝胶电解质在低温条件下的机械性能和导电性能急剧下降，这严重恶化了zihcs的电化学性能，阻碍了其现实性。为了克服这一障碍，人们引入了一些有机化合物，如乙二醇、甘油、二甲亚砜和乙腈，以取代水凝胶中的一些水，形成有机水凝胶电解质，它能够在低温下工作。然而，大多数有机水凝胶电解质会有着毒性、易燃性和高成本的问题，并且需要复杂而费力的制备过程。因此，合理构建具有特殊电化学性能的无有机抗冻水凝胶电解质是非常理想的，但仍然具有挑战性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种两性离子水凝胶电解质的制备方法及其在锌离子混合超级电容器中的应用，本发明使用较高浓度的氯化锌作为电解质，通过氯化锌和二极水分子之间的强静电作用，有效缓解低温和有机水凝胶电解质带来的问题，可以很好的解决在超低温下工作和电化学性能之间的权衡问题，对在严寒环境下工作的zihcs来说至关重要。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个目的是提供一种两性离子水凝胶电解质的制备方法，一种两性离子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、(1)将mxene和羧甲基纤维素水溶液进行混合，超声处理后加入甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱，搅拌形成混合溶液；

5、(2)在所述混合溶液中加入引发剂，发生聚合反应得到聚合物水凝胶；

6、(3)将得到的聚合物水凝胶pscm在氯化锌水溶液中浸泡，最终达到平衡，得到水凝胶电解质。

7、优选的，所述氯化锌水溶液的浓度为3-5mol/l。

8、优选的，所述mxene与羧甲基纤维素的质量比为0.5-2：0.36。

9、优选的，所述羧甲基纤维素与甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱的质量为0.9:25。

10、优选的，步骤(2)加入的引发剂为aps，引发剂的添加量与甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱的质量比为1：20。

11、优选的，步骤(3)中浸泡时间为12-24小时。

12、本发明的第二个目的是保护由上述任一项所述制备方法制备得到的两性离子水凝胶电解质。

13、优选的，两性离子水凝胶电解质的工作温度为-40℃-25℃。

14、本发明的第三个目的是保护上述制备方法制备的两性离子水凝胶电解质在冷冻环境下工作的锌离子混合超级电容器中的应用。

15、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

16、1、本发明的水凝胶电解质的制备方法，由于羧甲基纤维素(cmc)和mxene丰富的羟基基团可以通过非共价作用与各种物质相互作用，因此引入sbma明显改善了水凝胶的脆性问题，同时，由于sbma的特殊两性离子结构，从而促进了水分子与水凝胶之间形成大量的氢键，有效阻碍了水凝胶中的水分蒸发。

17、2、本发明中cmc和mxene增强了两性离子水凝胶电解质的柔韧性和电导率，促进了电解液与电极之间的界面结合，同时，添加高浓度的氯化锌电解质可以提供离子迁移通道，减少副反应，延长循环寿命。

18、3、在本发明的水凝胶框架中，pscm分子链上的带电基团与锌离子形成了动态的离子作用，从而使两性离子水凝胶具有良好的伸展性和自粘性的性能，随后，两性离子水凝胶和zn-阳极/ac-阴极被组装成zihcs，具有坚固的电解液/电极界面。

19、4、本发明的基于两性水凝胶组装的zihcs具有优异的抗冻性能和可穿戴设备的潜力，为宽电压窗、高能量密度、高实用性的水凝胶超级电容器的设计提供有效的策略。

技术特征：

1.一种两性离子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的两性离子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述氯化锌水溶液的浓度为3-5mol/l。

3.根据权利要求1所述的两性离子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述mxene与羧甲基纤维素的质量比为0.5-2：0.36。

4.根据权利要求1所述的两性离子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述羧甲基纤维素与甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱的质量比为0.9:25。

5.根据权利要求1所述的两性离子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，步骤(2)加入的引发剂为aps，引发剂的添加量与甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱的质量比为1：20。

6.根据权利要求1所述的两性离子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，步骤(3)中浸泡时间为12-24小时。

7.一种由权利要求1-6任一项所述制备方法制备得到的两性离子水凝胶电解质。

8.根据权利要求7所述的两性离子水凝胶电解质，其特征在于，两性离子水凝胶电解质的工作温度为-40℃-25℃。

9.一种权利要求7所述的两性离子水凝胶电解质在冷冻环境下工作的锌离子混合超级电容器中的应用。

技术总结
本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种两性离子水凝胶电解质的制备方法及其在锌离子混合电容器中的应用，将MXene、CMC水溶液进行混匀后加入水凝胶单体SBMA，搅拌形成混合溶液，通过APS引发的聚合反应得到了PSCM，PSCM分子链上的带电基团与锌离子形成了动态的离子作用，从而使两性离子水凝胶具有良好的伸展性和自粘性的性能，基于两性水凝胶组装的ZIHCs具有优异的抗冻性能和可穿戴设备的潜力，本发明为宽电压窗、高能量密度、高实用性的水凝胶超级电容器的设计提供有效的策略。

技术研发人员：李明,贾文汉,蔡高拓,李若楠
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15