一种低温抗冻双网络水凝胶电解质及其制备方法与应用

本发明涉及锌离子混合电容器，尤其涉及一种低温抗冻双网络水凝胶电解质及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着电子时代的快速发展，柔性和可穿戴电化学储能装置成为学术界的研究热点和难点。相比于柔性电池，锌离子混合电容器安全性高、能量密度和体积容量高等优势，发展成为最有前途的储能器件之一。然而，为了满足不同应用场合(如扭曲、拉伸、挤压、低温等)和解决锌阳极上锌枝晶的形成、腐蚀和锌金属的表面钝化等问题，柔性锌离子混合电容器仍面临着诸多巨大挑战，亟待解决的问题包括低温应用性差、锌枝晶的形成、腐蚀和锌金属的表面钝化，以及凝胶电解质与电极接触性弱等。

2、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低温抗冻双网络水凝胶电解质及其制备方法与应用，旨在解决现有锌离子混合电容器的锌枝晶生长的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的第一方面，提供一种低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法，其中，包括步骤：

4、将znso4水溶液、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液和黄原胶混合，得到第一混合溶液；

5、向所述第一混合溶液中加入引发剂和交联剂，得到第二混合溶液；

6、排出所述第二混合溶液中的氧气，在预设温度下聚合反应预设时间，得到所述低温抗冻双网络水凝胶电解质。

7、可选地，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠质量百分浓度50％～90％的水溶液；所述znso4水溶液浓度为2～9mol·l-1；所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液与所述znso4水溶液的质量比为(5～7)：(10～12)。

8、可选地，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠质量百分浓度50％～90％的水溶液；所述黄原胶与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液的质量比为(0.2～0.3)：(5～7)。

9、可选地，所述引发剂为过硫酸钾、过氧化苯甲酰、叔丁基过氧化氢、过硫酸铵、异丙苯过氧化氢中的一种。

10、可选地，所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。

11、可选地，所述引发剂和所述交联剂的添加量为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠摩尔总量的0.5％～0.9％，其中所述引发剂和所述交联剂的摩尔比为1：2。

12、可选地，所述预设温度为60～70℃，所述预设时间为10～15h。

13、本发明的第二方面，提供一种低温抗冻双网络水凝胶电解质，其中，采用本发明所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法制得。

14、本发明的第三方面，提供一种锌离子混合电容器，其中，包括本发明所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质。

15、本发明的第四方面，提供一种水系锌离子电池，其中，包括本发明所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质。

16、有益效果：本发明公开了一种低温抗冻双网络水凝胶电解质及其制备方法与应用，通过热引发2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠聚合反应得到聚合物，再与高粘度的黄原胶通过物理交联和化学交联作用制备一种低温抗冻双网络水凝胶电解质，聚合物链上的负电荷磺酸基团通过配位作用引导zn2+在锌负极上均匀沉积，一定程度上能抑制锌枝晶的生长，其次，znso4水溶液解离出的阴阳离子与部分水分子结合形成水合离子，削弱水分子间的氢键，导致冰晶的成核和生长受到阻碍。因此，所述聚合物解决锌负极上的锌枝晶问题，所述znso4与黄原胶协同提升电解质的低温抗冻性能。采用本发明的制备方法制得的电解质在拉伸、扭曲、低温条件下仍具有较好的电化学性能，并且由于聚合物链上的磺酸基团通过配位作用引导zn2+在锌负极上均匀沉积，能抑制锌枝晶的生长，提高锌离子混合电容器的循环性能。本发明的双网络水凝胶电解质可用于柔性锌离子混合电容器以及水系锌离子电池中。

技术特征：

1.一种低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠质量百分浓度50％～90％的水溶液；所述znso4水溶液浓度为2～9mol·l-1；所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液与所述znso4水溶液的质量比为(5～7)：(10～12)。

3.根据权利要求1所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠质量百分浓度50％～90％的水溶液；所述黄原胶与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠溶液的质量比为(0.2～0.3)：(5～7)。

4.根据权利要求1所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾、过氧化苯甲酰、叔丁基过氧化氢、过硫酸铵、异丙苯过氧化氢中的一种。

5.根据权利要求1所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。

6.根据权利要求1所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述引发剂和所述交联剂的添加量为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠摩尔总量的0.5％～0.9％，其中所述引发剂和所述交联剂的摩尔比为1：2。

7.根据权利要求1所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述预设温度为60～70℃，所述预设时间为10～15h。

8.一种低温抗冻双网络水凝胶电解质，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质的制备方法制得。

9.一种锌离子混合电容器，其特征在于，包括权利要求8所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质。

10.一种水系锌离子电池，其特征在于，包括权利要求8所述的低温抗冻双网络水凝胶电解质。

技术总结
本发明公开一种低温抗冻双网络水凝胶电解质及其制备方法与应用。其中方法包括步骤：将ZnSO<subgt;4</subgt;水溶液、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸钠溶液和黄原胶混合，得到第一混合溶液；向所述第一混合溶液中加入引发剂和交联剂，得到第二混合溶液；排出所述第二混合溶液中的氧气，在预设温度下聚合反应预设时间，得到所述低温抗冻双网络水凝胶电解质。本发明该电解质中聚合物链上的负电荷磺酸基团通过配位作用引导Zn<supgt;2+</supgt;在锌负极上均匀沉积，一定程度上能抑制锌枝晶的生长；ZnSO<subgt;4</subgt;水溶液解离出的阴阳离子与部分水分子结合形成水合离子，削弱水分子间的氢键，导致冰晶的成核和生长受到阻碍。因此，聚合物解决锌负极上的锌枝晶问题，ZnSO<subgt;4</subgt;与黄原胶协同提升电解质的低温抗冻性能。

技术研发人员：万学娟,宋杭琪,王静威,张作才,朱楠楠,腾奇金
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16