[发明专利]一种半互穿网络凝胶电解质膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种半互穿网络凝胶电解质膜及其制备方法和应用，膜由半互穿网络凝胶膜依次经阴离子置换、吸收电解液H后形成；半互穿网络凝胶膜由分散在水中的季铵盐官能团修饰的中空多孔聚合物纳米纤维吸附带负电的单体后，带负电的单体发生聚合反应和交联反应后形成；季铵盐官能团修饰的中空多孔聚合物纳米纤维为侧壁具有纳米通孔的中空纤维，且纳米通孔与中空纤维的中空部分连通；制备方法为：对半互穿网络凝胶膜依次进行阴离子置换、吸收电解液H；半互穿网络凝胶电解质膜可用于制备柔性金属‑空气电池或柔性超级电容器。本发明的半互穿网络凝胶电解质膜的吸液/保液能力、离子电导率、机械强度均较高，显著提高了柔性锌‑空电池的循环寿命。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，涉及一种半互穿网络凝胶电解质膜及其制备方法和应用。

背景技术

当今世界，能源短缺与环境污染问题日益突出，迫使人们不得不加快探索新能源的步伐。电化学储能凭借着绿色环保、高能量密度、高灵活性和高能量转化效率等优势在一众储能技术中脱颖而出，成为现代新能源高效存储和利用的首选。其中，锂离子电池因具备高能量密度和高循环稳定性等优势，在电子产品、电动汽车和大型储能系统中得到了广泛的应用。但鉴于锂离子电池的安全性、成本、灵活性等因素，使得其在新兴的柔性可穿戴电子设备领域的应用受到严重限制。为了满足柔性可穿戴电子设备对电源系统更高的要求，迫切需要开发一种具有高灵活性、可充电循环性、高能量密度、长工作寿命等特性的柔性可充电电池。水系锌-空电池具有成本低、安全环保、能量密度高（1086 Wh kg^-1）、制造方便等优点，是下一代柔性可充电电池的有力竞争者之一。

凝胶聚合物电解质是柔性锌-空电池的核心组成部分之一，其性能优劣决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响了电池的实际容量、功率密度和循环寿命。目前，柔性锌-空电池最常用的凝胶聚合物电解质是吸收了6 M KOH的聚乙烯醇凝胶电解质，但其面临着吸液率不足、失水严重、离子电导率低以及机械强度差等问题（EnergyEnvironment,2020, 13 (7), 1933-1970）。为此，研究者进一步开发了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠凝胶电解质，如中国专利CN114430084A和CN109904471A公开了柔性锌-空气电池凝胶电解质的制备方法，它们分别通过紫外光固化和热引发固化制备了高吸水和高保水的聚丙烯酰胺凝胶电解质和聚丙烯酸钠凝胶电解质，提高了柔性电池的使用寿命。然而，此类凝胶电解质在强碱溶液中往往会失去其机械性能（特别是拉伸性能），导致柔性电池在弯折过程中失效，这严重限制了柔性电池的发展进程。

专利2021115076732公开了一种凝胶电解质隔膜及其制备方法和应用，采用中空多孔纳米纤维作为主体，材质设计为凝胶化型高分子聚合物，其发生凝胶化后，与吸附在孔道结构中的有机电解液一起作为锂离子的传输场所，从而作为锂电池的凝胶电解质隔膜。但该专利只含有单一的中空多孔纳米纤维相，不含有额外的聚合物相，因此不具备原位交联的半互穿网络，机械性能不理想。

专利202011454890公开了一种柔性锌-空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用，是以天然高分子聚合物作为非交联网络，在其中引入单体并引发聚合和交联，从而使得线性聚合物与有机交联网络相互穿插形成半互穿网络结构，最后浸泡在液态电解质中充分溶胀后作为柔性锌-空气电池的凝胶电解质膜。虽然该专利采用非功能性线性聚合物与有机交联网络形成半互穿网络结构，并通过缠结和氢键作用提高了机械性能，但其保液能力和离子电导率并不理想，且其难以实现均匀的金属锌沉积，不可避免地造成锌枝晶的快速生长，降低了电池的循环寿命。

因此，制备一种具有高吸液/保液率、高离子电导率和高机械强度的凝胶聚合物电解质膜，其能提高电池的循环寿命，将对柔性电池的发展具有十分重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种半互穿网络凝胶电解质膜及其制备方法和应用。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：