[发明专利]一种抗低温的水凝胶固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池固态电解质技术领域，公开了一种抗低温的水凝胶固态电解质及其制备方法和应用。本发明的制备方法包括：S1.将海藻酸钠和甘油混合，70～80℃下反应制备得到凝胶；S2.将S1得到的凝胶浸泡在无机盐溶液中，即得所述抗低温的水凝胶固态电解质；S1中所述海藻酸钠和甘油的质量体积比为1:(5～9)g/mL。所制备水凝胶固态电解质离子电导率可达28.80mS cm^‑1，可在‑30℃下12h不结冰，保持着良好的柔性。

技术领域

本发明涉及电池固态电解质技术领域，更具体地，涉及一种抗低温的水凝胶固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术

水系电池具有安全性好、对环境友好、制作简单等优势而被认为是可穿戴电子设备的理想电源。传统的柔性水系电池多采用水系溶液为电解质，在受到弯曲或拉伸等机械应力作用时容易发生电解液泄漏，导致电池不能工作。使用水凝胶固态电解质不仅可以解决电解液带来的漏液问题，而且还可以将隔膜和电解液的作用集于一体，有助于简化电池制造工艺。然而在低温、特别是零下温度时，传统的水凝胶电解质材料易冻结从而失去柔韧性和导电性，因此零下温度时电池整体电化学性能衰退，甚至停止工作，严重影响其供能及可穿戴应用。一种常见的解决途径是在水凝胶中加入冷冻保护剂(如甘油等)使水分子与冷冻保护剂分子之间形成更强的氢键作用，抑制冰晶的形成，从而有效降低水凝胶的凝固点。

为了缓解柔性电子设备中不可降解的组分造成的电子废弃物对全球环境的负担，研究人员尤为关注可生物降解的材料(纤维素、甲壳素、海藻酸钠和淀粉等)在柔性电子设备和储能器件的应用。海藻酸钠具有生物可降解性、价格低廉、来源丰富和可再生等优点，可以用来设计制备多功能离子导电凝胶。海藻酸钠基凝胶通常表现出低韧性、高脆性及低抗冻性能。

中国专利《一种抗冻锌基电池用凝胶电解质的制备及应用》公开了一种通过海藻酸钠水溶液和引发剂、交联剂、单体混合均匀进行自由基聚合反应得到抗冻水凝胶，再将该水凝胶浸入锌盐、锂盐混合的液态电解质中得到离子导电的凝胶电解质的制备方法。但该方法需要海藻酸钠水溶液与引发剂、交联剂、单体在一定的加热温度和时间进行自由基聚合反应才能形成凝胶，工艺复杂，且其所制备的水凝胶抗冻性能也仍需进一步提高。

因此，研究制备方法简单、具有高抗冻性能的离子导电凝胶水凝胶固态电解质具有重大意义。

发明内容

为了解决现有离子导电的凝胶电解质制备复杂、抗冻性能仍需进一步提高的问题，本发明将海藻酸钠和甘油在特定温度条件下互混形成高韧性的凝胶，然后再浸泡在无机盐溶液中，形成具有高离子电导率和高抗冻性能的水凝胶固态电解质，并应用于电池。本发明制备工艺简单，所制备的水凝胶固态电解质具有高离子电导率，在-30℃下12h不结冰，保持良好的柔韧性。

本发明的另一目的是提供一种抗低温的水凝胶固态电解质。

本发明的另一目的是提供上述抗低温的水凝胶固态电解质的应用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种抗低温的水凝胶固态电解质的制备方法，包括以下步骤：

S1.将海藻酸钠和甘油混合，70～80℃下反应制备得到凝胶；

S2.将S1得到的凝胶浸泡在无机盐溶液中，即得所述抗低温的水凝胶固态电解质；

S1中所述海藻酸钠和甘油的质量体积比为1:(5～9)g/mL。

海藻酸钠基凝胶通常表现出低韧性、高脆性及低抗冻性能。研究发现甘油可提高凝胶的抗冻性能，故可将甘油作为冷冻保护剂添加至海藻酸钠基凝胶中。一般情况下，需将甘油与引发剂、交联剂、单体、海藻酸钠共混成胶，使得甘油成功添加至海藻酸钠基凝胶中。如常温下直接将海藻酸钠和甘油共混无法形成凝胶；常温下直接将海藻酸钠、甘油和无机盐或者无机盐水溶液互混后也无法形成离子导电的凝胶固态电解质。