[发明专利]一种碱性半固态电解质膜及其制备和应用

说明书

本发明涉及电解质材料技术领域，具体涉及一种碱性半固态电解质膜及其制备和应用。制备方法包括：将非离子型水溶性高分子和类纤维素溶解于水中，形成前驱体；向所述前驱体中加入季铵盐，形成纺丝前驱体；将所述纺丝前驱体进行纺丝，得到纤维层；将所述纤维层加入到交联液中进行交联反应，得到产品。本发明制备方法简单、成本低廉、无污染且绿色环保；制得的碱性半固态电解质膜在空气中暴露24h后含水率依然超过70％；离子电导率达到22.6mS cm^‑1，超过了传统的PVA‑KOH电解质；将其应用于柔性锌空电池时，表现出良好的机械性能、自支撑稳定性和循环性能，电池在5mA cm^‑2的电流密度下能平稳运行超过100h，应用前景巨大。

技术领域

本发明涉及电解质材料技术领域，具体是指一种碱性半固态电解质膜及其制备和应用。

背景技术

随着柔性电子显示屏、可植入电子设备、类皮肤型传感器、可穿戴的个人多媒体、手持设备等柔性和便携式电子器件的快速发展，轻质、微型、超薄、可弯曲、可拉伸和可穿戴的能量储存器件的发展至关重要。

近年来，柔性锌空气电池由于其高理论能量密度(1218Wh kg^-1)，低成本和环境友好性的特点，成为一种十分具有发展前景的储能器件。柔性锌空气电池一般由锌阳极、固态/半固体电解质、空气阴极和封装材料组成。其中，半固态/固态电解质起着电极之间的离子传输作用，其离子传导率、界面接触等性质将显著影响柔性锌空气电池的性能包括循环寿命，倍率特性和功率输出等。

聚乙烯醇基碱性聚合物电解质(PVA–KOH)由于制备简单、化学稳定性好而受到广泛关注，但是由传统PVA–KOH聚合物电解质体系组装的锌空气电池具有以下问题：

(1)由于PVA–KOH聚合物电解质中碱性电解液的含量较低而导致低的离子传导率；

(2)由于聚乙烯醇(PVA)的交联结构而导致较为致密的聚合物基体从而使聚合物电解质的吸液性较差；

(3)由于锌空气电池的半开放结构而使空气电极一侧水分易蒸发而对聚合物电解质的保湿性提出挑战。

因此，具有高保湿性和高离子传导率保持性的新型聚合物电解质的开发成为突破柔性锌空气电池领域一个关键挑战的研究重点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种碱性半固态电解质膜及其制备方法，将季铵官能团化的纤维素类材料和传统的非离子型水溶性高分子混纺，随后在交联剂的催化作用下进行缩醛反应，将这种水溶性的纤维固化交联，保留了稳定的三维结构。

按照本发明的技术方案，所述碱性半固态电解质膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将非离子型水溶性高分子和类纤维素溶解于水中，形成前驱体；

(2)向所述前驱体中加入季铵盐，形成纺丝前驱体；

(3)将所述纺丝前驱体进行纺丝，得到纤维层；

(4)将所述纤维层加入到交联液中，交联反应6-24h，得到所述碱性半固态电解质膜；

优选的，所述纺丝前驱体中，所述非离子型水溶性高分子、类纤维素和季铵盐的质量百分比浓度均为1％-20％；

优选的，所述交联液为交联剂、浓硫酸和醇类的混合溶液。

优选的，所述醇类选自乙醇、甲醇和异丙醇中的一种或多种。

优选的，所述非离子型水溶性高分子选自聚乙烯醇、聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酰胺(PAM)和聚丙烯酸(PAA)中的一种或多种。

优选的，所述类纤维素选自普鲁兰多糖(PUL)、甲基纤维素、羧酸纤维素和壳聚糖中的一种或多种。