[发明专利]一种高浓盐双网络水凝胶电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种高浓盐双网络水凝胶电解质及其制备方法和应用。本发明的双网络水凝胶电解质，包括第一层物理交联多糖网络、第二层化学交联聚丙烯酰胺网络，电解质包括氯化锂、硝酸钠、氯化锌、醋酸锌、醋酸锰等无机盐溶液。制备步骤：首先将多糖、无机盐在高温混合溶解，然后加入丙烯酰胺、N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺、引发剂混合均匀，再将上述溶液室温冷却形成第一层多糖网络，最后通过光照引发丙烯酰胺聚合，即得多糖/聚丙烯酰胺双网络水凝胶电解质。采用一锅法制备，工艺简单，成本低，制备的水凝胶具有优异的力学性能，可应用于超级电容器、锌离子混合电容器、锌离子电池、锌离子混合电池中，并且在其他电化学储能器件中也具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明公开一种基于多糖/聚丙烯酰胺的高浓盐双网络水凝胶电解质组合物及其制备方法和应用。本发明的双网络水凝胶电解质，包括第一层物理交联网络多糖、第二层化学交联网络聚丙烯酰胺和电解液；其中，所述电解质包括无机锂盐、无机钠盐、无机锌盐、无机锰盐。本发明的双网络水凝胶电解质通过一锅法制备，制备过程简单，成本低，制备所得的水凝胶电解质具有优异的力学性能，在各种电化学储能器件中具有广泛的适用性，表现出更宽的电化学电压窗口、工作温度窗口和良好的力学性能。

背景技术

水系储能器件(例如超级电容器、锌离子电池等)由于其安全性好、成本低和环境友好等特点，在大规模储能技术领域具有良好发展前景。水凝胶电解质可以防止在使用过程中电池的电解液泄漏，从而更好地保证器件使用过程中的安全性，可作为多种水系储能设备的隔膜和电解质材料。然而，传统的水凝胶电解质低温下容易结冰导致水凝胶电解质的电导率大幅度下降，器件容量大大降低甚至失效。由于水的分解反应，传统水凝胶电解质的电压窗口较窄，相应地储能器件的能量密度被限制，这进一步影响到高能量密度电极材料的选择。此外，传统的水凝胶及相应的水凝胶电解质往往存在机械性能弱的问题。

基于多糖/聚合物的双网络水凝胶由刚性的物理交联多糖第一网络和柔性的化学共价交联聚合物第二网络构成，两种网络的协同作用使得双网络水凝胶具有优良的机械性能。常用于构建双网络水凝胶的多糖有琼脂糖、卡拉胶、结冷胶等，这些多糖分子一般具有热可逆性，能够通过加热-冷却过程实现溶胶到凝胶的可逆转变。因此，可以通过简单的一锅法引入第二网络，工艺过程简单，易于操作，耗时短，具有良好的应用前景。

目前文献中有关多糖/聚合物的双网络水凝胶大多应用于传感器{ACSAppl.Mater.Interfaces 2017,9,26429-26437；ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,2364-2373；Sensors and Actuators:B.Chemical 327(2021)128916-128926}，这些水凝胶一般含有一定浓度的无机盐(1mol/L)，具有一定的导电性，但其电导率不满足储能器件电解质的应用需求。分析原因是常用卡拉胶、结冷胶、黄原胶等多糖一般含有磺酸基、羧基等官能团，在高浓度无机盐条件下，这些阴离子官能团与金属阳离子会产生较强的络合作用，从而使多糖体系凝聚成团，阻碍后续聚合反应的顺利进行。在有关多糖/聚合物双网络水凝胶电解质的报道中，尚未见同时使用多糖/聚丙烯酰胺的高浓盐双网络水凝胶电解质的报道。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于多糖/聚丙烯酰胺的高浓盐双网络水凝胶电解质。

本发明第二目的在于，提供一种基于多糖/聚丙烯酰胺的高浓盐双网络水凝胶电解质的制备方法。

本发明第三目的在于，提供一种所述的高浓盐双网络水凝胶电解质的储能应用。

一种基于多糖/聚丙烯酰胺的高浓盐双网络水凝胶，包括第一层物理交联多糖网络、第二层化学交联聚丙烯酰胺网络、高浓度无机盐。

所述的第一层多糖网络为具有可逆溶胶-凝胶转变的生物大分子；且具有热滞型溶胶–凝胶转变行为，因此在双网络水凝胶电解质的制备中可以一锅法制备，制备过程简单。优选为卡拉胶(CG)、结冷胶(GG)、黄原胶(XG)中的至少一种。进一步优选为CG。