柔性锌离子电池水凝胶电解质的制备及其改性研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:talisa
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锂离子电池以其高能效、长循环寿命以及高能量密度等优点,被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车及储能等领域。然而,锂资源的有限性和锂盐价格的不断上涨引起了人们对锂离子电池可持续性发展的担忧。与此同时,锂离子电池还表现出安全性差、电解液易燃易爆等缺点。近年来,柔性可穿戴电子设备,如智能服装、植入式医疗设备、人工电子皮肤、电子手镯等新式柔性可穿戴的电子产品迅速发展,对储能设备的柔性以及安全性提出了更高的要求。因此,有必要考虑和开发具有轻、薄、安全和集成配置的非刚性电池。由于锌负极理论容量高(820 m Ah/g和5855 m Ah/cm3)、氧化还原电位低(-0.76 V vs.SHE)、成本低、安全性好等优点,使得水系锌离子电池在上述应用领域中表现出了巨大的潜力,吸引了世界范围内的研究以及开发热潮。本工作通过制备聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)水凝胶电解质并对其进行改性,组装出柔性锌离子电池,主要研究内容包括:采用自由基聚合法制备得到PAM水凝胶电解质。经优化实验,PAM水凝胶电解质的吸水率能够达到1325.58%。拉伸性能较为优良,能够被拉伸到1500%的形变,其离子电导率高达3.75×10-2 S/cm。用该电解质组装柔性电池,在1 C下,循环经过200圈后,容量保留率为56.94%。针对PAM基柔性锌离子电池循环性能较差等问题,通过在PAM水凝胶电解质中引入羧甲基纤维素(Carboxymethyl cellulose,CMC)形成双网络结构对其进行改性,提高了电解质的物理性能和电化学性能。引入双网络结构后,水凝胶电解质的拉伸性能从1500%提升到了3000%,吸水率从1325.58%提高到了2138.03%,离子电导率达1.303×10-2 S/cm。研究中还发现,CMC中的羧基基团可以调节锌离子在锌电极表面的沉积过程,有效抑制锌枝晶在锌电极表面生长。因此,由CMC/PAM水凝胶电解质组装的柔性锌离子全电池表现出优异的电化学性能:在1 C下,循环到500圈之后,容量保留率达到90.18%。该柔性锌离子电池还具有优良的抗弯性能。
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