[發(fā)明專利]高電壓自修復(fù)柔性水凝膠及制備方法和包含水凝膠電池

有效

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• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112646074B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李洪飛;王自強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇勁源新能源科技有限公司
• 主分類號: C08F220/34
• 分類號: C08F220/34;C08F220/38;H01M10/36
• 代理公司: 淮安菁聯(lián)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32378
• 代理人: 張麗

本發(fā)明公開了高電壓自修復(fù)柔性水凝膠及制備方法，通過光引發(fā)劑將SBMA和METAC單體溶于ZnSO₄溶液中，澄清液進(jìn)行紫外交聯(lián)聚合，一步法得到超分子水凝膠。利用該水凝膠制備所得柔性鋅離子電池，在中性條件下具備1.8 V放電平臺及3.1 V寬左右電壓窗口，穩(wěn)定循環(huán)超過2000圈，且容量保持在100 mAh/g以上；同時(shí)在損壞的情況進(jìn)行自修復(fù)且修復(fù)后依然保持98%的修復(fù)前性能。本發(fā)明電池可應(yīng)用于各種柔性可穿戴設(shè)備。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋅離子電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，它涉及一種高電壓自修復(fù)柔性超分子水凝膠、該水凝膠的制備方法以及利用該水凝膠制備的鋅離子電池。

背景技術(shù)

由于放電過程中安全高效，電池材料無毒廉價(jià)，水系鋅離子電池近年來迅猛發(fā)展，并且其還具有高容量和高循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。此外，如今柔性可穿戴設(shè)備在市場上的需求也日益高漲，各種電子設(shè)備及裝置對電池的要求也向著差異化方向發(fā)展。因此，研究及制備功能差異化的柔性電解質(zhì)是必不可少的解決方案來滿足這種發(fā)展需求。

目前，柔性水系鋅離子電池電壓窗口窄，放電平臺低，成為了制約柔性電池在電子設(shè)備中大規(guī)模應(yīng)用的障礙，現(xiàn)有的水凝膠電解質(zhì)電化學(xué)窗口只有2V左右，放電平臺僅在1.3V左右，如聚丙烯酰胺(6-1)電解質(zhì)只有1.3 V放電平臺及1V電化學(xué)窗口；聚丙烯酸鈉水凝膠(6-2)只有1.3 V放電平臺及2.0 V電壓窗口，且二者均不具備自修復(fù)性能。同時(shí)，電解質(zhì)被損壞后造成電池?zé)o法使用也進(jìn)一步制約了柔性電池的發(fā)展。因此，設(shè)計(jì)研究一種新型的高電壓且具備自修復(fù)性能柔性電解質(zhì)成為了亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供解決上述問題的一種高電壓自修復(fù)柔性超分子水凝膠及制備方法，該水凝膠電解質(zhì)可以在切成兩段的情況下自行修復(fù)且保持良好的力學(xué)性能，利用該水凝膠組裝的鋅離子電池具有1.8V放電平臺及3.1V左右寬的電壓窗口，能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性及高的容量，電池穩(wěn)定循環(huán)2000圈以上。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

高電壓自修復(fù)柔性超分子水凝膠，包括質(zhì)量百分比：

聚甲基丙烯酸磺酸甜菜堿 20～40％、聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨10～36%、光引發(fā)劑0.05～0.5％、溶劑10～20%，其結(jié)構(gòu)式為，式中，m=20～60，n=18～58。

進(jìn)一步地，所述光引發(fā)劑為IRGACURE 2959、IRGACURE 1173、IRGACURE 907、IRGACURE 184光引發(fā)劑中的一種。

更進(jìn)一步地，所述溶劑為ZnSO₄。

高電壓自修復(fù)柔性超分子水凝膠制備方法：在裝有磁力攪拌的燒杯中，按摩爾比為1:(15～38):(20～70)的比例加入光引發(fā)劑、甲基丙烯酸磺酸甜菜堿、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨于20～80 mL的0.5 M～3M ZnSO₄溶液中，得到的澄清液體在紫外光365 nm,15W條件下反應(yīng)1～3h，進(jìn)行紫外交聯(lián)聚合，反應(yīng)停止后，得到超分子結(jié)構(gòu)水凝膠。

本發(fā)明中聚甲基丙烯酸磺酸甜菜堿（PSBMA）和聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PMETAC）的作用如下：兩性離子聚合物聚甲基丙烯酸磺酸甜菜堿超親水性能能夠與水分子結(jié)合形成多種結(jié)合水，提高水的分解電壓從而提高水凝膠電解質(zhì)的電化學(xué)窗口；單陽離子聚合物聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨中的銨根官能團(tuán)與聚甲基丙烯酸甜菜堿中的磺酸根通過靜電作用力結(jié)合在一起，賦予水凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)，超分子水凝膠，由于通過物理作用結(jié)合使凝膠在被破壞的情況下具備自修復(fù)的性能。

本發(fā)明還提供了一種高電壓自修復(fù)水系鋅離子電池，將上述所得超分子水凝膠與負(fù)載于碳納米管的柔性正極材料MnO₂、負(fù)極鋅箔組裝成全電池。

本發(fā)明有益效果：