CN112713293A - 一种应用于铝空电池的高电导率凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其将聚乙烯醇溶液与聚环氧乙烷溶液混合搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液；然后加入N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺交联剂溶液和氢氧化钾溶液，混匀即得。本发明凝胶聚合物电解质是由聚乙烯醇和聚环氧乙烷在交联剂N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺的作用下，形成具有非晶结构的热稳定性高，高保水性和透明性，并且具有一定的形变能力的三维网络结构，电导率能稳定维持在0.199 S cm‑1左右，功率密度约为43.3 mW cm‑2，可以满足金属空气电池的要求；本发明电解质的制备工艺简单，成本低，所用原料价格低廉，容易获得。
Description
技术领域
本发明属于铝空电池技术领域，涉及一种利用聚乙烯醇，聚环氧乙烷和N,N’ -亚甲基双丙烯酰胺制备的高电导率碱性凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用。
背景技术
铝空电池因其具有较高的理论能量密度（8100Wh kg-1），金属铝质量轻，原材料丰富，电池使用寿命长，无毒无害，环境友好等优点被广泛研究，但液态铝空电池的电解质易泄漏，存在安全问题，并且金属在碱性溶液中存在严重的自腐蚀，极大的影响了电池各方面的工作性能。
近年来，由于具有良好的机械性能和热稳定性、比能量高、以及与液态电解质相比，可以减少电解质泄露等优点，凝胶聚合物电解质（GPEs）作为一种新型电解质，成为研究的热点。Yang 等将聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）应用于铝空气电池中，Romero等将聚乙烯醇（PVA）应用于锌空气电池中，许多人对聚合物电解质在金属空气电池的应用中进行了大量研究。
凝胶聚合物电解质由聚合物形成网络框架，液态电解质在框架中流动，凝胶聚合物电解质解决了现有金属空气电池电解液泄露及阳极腐蚀的问题，碱性凝胶聚合物电解质具有较高的室温电导率（室温电导率一般在 10-3～10-2S/cm-1之间）、制备工艺简单、原材料丰富、电池便于携带、安全稳定性高等特点，在金属空气电池，超级电容器等方面具有很大的研究意义。
碱性凝胶聚合物电解质主要有：聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）。PEO基聚合物电解质具有良好的机械性能，但结晶度高，导致室温电导率低，约为1×10-3 S cm-1，难以满足实际应用电池电解质的要求（达到10-3S/cm-1以上）。PVA基聚合物电解质具有优异的化学稳定性、电化学惰性、耐久性、无毒性且制备简单，较高的离子电导率，约为1×10-2S cm-1，因此成为聚合物电解质研究方向的热点。PAA基碱性聚合物电解质电导率最高，约为1×10-1S cm-1，但机械性强度差，价格昂贵，在实际应用中受到很大的阻碍。
以凝胶聚合物作为电解质的金属空气电池作为可穿戴电子设备在户外通信，健康监测，野外旅行，军用设备等方向发展，使用条件更加复杂，对电解质除了安全性、循环稳定性等要求外，对电导率和功率密度也提出了更高的要求。而凝胶聚合物电解质由于形成的网络框架孔隙率较低，因此难以吸收大量的碱性电解质，造成金属空气电池的电导率和功率密度不高。目前解决此类问题的方法有：添加无机物作为构建网络框架；添加造孔剂，增加电解质的孔隙率；添加缓蚀剂，抑制金属的自腐蚀等一系列方法来提高金属空气电池的电化学性能，但这些方法工艺比较复杂，制备成本较高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种应用于铝空电池的高电导率碱性凝胶聚合物电解质，其具有高保水性、高透明性、高电导率、高功率密度等优点，且该电解质原料价格便宜、制备工艺简单。
本发明还提供了上述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，以及其在铝空电池中的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其包括如下步骤：
1）将聚乙烯醇溶液与聚环氧乙烷溶液混合搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液；
2）在步骤1）所得聚合物溶液中加入交联剂溶液和氢氧化钾溶液，混匀即得碱性凝胶聚合物电解质。
具体的，所述交联剂优选为N,N’ -亚甲基双丙烯酰胺。
进一步的，所述聚乙烯醇、聚环氧乙烷和N,N’ -亚甲基双丙烯酰胺的质量比为64~100：64~100：12。
进一步的，步骤2）所得碱性凝胶聚合物电解质中，聚乙烯醇质量浓度为3.6~5.5%，聚环氧乙烷质量浓度为3.6~5.5%，氢氧化钾摩尔浓度为0.8-1.2 mol/L。
进一步的，步骤1）具体为：称取一定量的聚乙烯醇粉末在室温条件（25℃）下加入到去离子水中，然后在水浴锅中磁力搅拌0.1-1h，同时水浴锅温度逐渐升至80~90℃，获得稳定的溶液A；称取一定量的聚环氧乙烷粉末室温条件（25℃）下磁力搅拌约1 h以均匀分散在去离子水中，获得稳定的溶液B；将溶液B倒入溶液A中继续在水浴锅中搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液。
本发明提供了采用上述制备方法制备所得的高电导率碱性凝胶聚合物电解质。
本发明还提供了上述高电导率碱性凝胶聚合物电解质在制备铝空电池中的应用。
和现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1）本发明选用N,N’ -亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，使聚乙烯醇、聚环氧乙烷和N,N’ -亚甲基双丙烯酰胺形成具有非晶结构的热稳定性高、高保水性和透明性，并且具有一定形变能力的三维网络结构，通过该网络结构提高碱性凝胶聚合物电解质的力学性能，电导率和功率密度；电导率能稳定维持在0.199 S cm-1左右，功率密度约为43.3 mW cm-2，可以满足金属空气电池的要求；
2）本发明凝胶聚合物电解质的制备工艺简单，成本低，所用原料价格低廉，容易获得。本发明制备所得凝胶聚合物电解质结构稳定，具有一定的柔性，可以满足穿戴式储能设备的需要；网络结构稳定，具有优良的电化学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1与对比例3所制备的凝胶聚合物电解质的X射线衍射(XRD)对比图；
图2为本发明实施例1与对比例2所制备的凝胶聚合物电解质的红外光谱（ATR-FTIR）对比图；
图3为本发明实施例1与对比例1所制备的凝胶聚合物电解质阻抗（EIS）对比图；
图4为本发明实施例1中制备的凝胶聚合物电解质组装成铝空气电池的开路电位（OCP）图；
图5为本发明对比例1中制备的凝胶聚合物电解质组装成铝空气电池的线性伏安扫描(LSV)结果图；
图6为本发明实施例1中制备的凝胶聚合物电解质组装成铝空气电池的线性伏安扫描(LSV)结果图；
图7为本发明实施例1与对比例2所制备的凝胶聚合物电解质组装成铝空气电池的放电性能图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
下述实施例中所用试剂及原料均系市购常规原料。
实施例1
一种高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，具体包括如下步骤：
1）称取2 g聚乙烯醇（分子量205000）在室温条件（25℃）下加入到14 mL去离子水中，然后将其在水浴锅中进行磁力搅拌，持续搅拌约1 h，同时水浴锅的温度逐渐升至85℃至完全溶解获得PVA溶液（在搅拌过程中时刻观察，防止溶液表面形成一层薄膜），最终溶液呈乳白色泡沫状。同样的，将2 g聚环氧乙烷（分子量300000）加入到14 mL去离子水中，在室温下磁力搅拌约1 h使其充分溶解，呈糊状，获得PEO溶液。然后将充分溶解的PEO溶液缓慢加入85℃磁力搅拌的PVA溶液中，继续搅拌约1 h，使其完全互溶，呈现粘稠糊状，获得聚合物溶液；
2）向步骤1）所得聚合物溶液中逐滴加入配制好的N,N’ -亚甲基双丙烯酰胺(MBA) 交联剂溶液（该交联剂溶液是由0.3 g MBA在常温下溶于5 mL去离子水中形成的），最后逐滴加入5 mL 7 M/L的KOH溶液，充分搅拌，大约搅拌20 min发现溶液变为凝胶状态，得到碱性凝胶聚合物电解质。
铝空电池性能测试
将实施例1制备好的碱性凝胶聚合物电解质裁成厚度为3 mm、直径为2 cm的圆形凝胶电解质，将厚度为0.1 mm的铝箔为阳极，以涂覆催化剂的防水碳布（1x1 cm2，1.97 mg/cm2）为空气阴极，将两者分别置于制备的凝胶电解质两侧，用塑料模具(PVC)组装成凝胶铝空电池。将此电池进行开路电位测试，测试条件为：扫速为0.01 v/s，扫描时间为120 s。将此电池在初始电压为1.5 v、扫速为0.01 v/s的条件下，测试该电池的功率密度。
其中，空气阴极的制备方法如下：
将5mg的催化剂溶解于由250uL去离子水，250uL乙醇和70uL Nafion组成的混合溶液中，超声30 min使之分散均匀，吸取225uL(1.97mg)的混合溶液均匀涂覆在1x1 cm2的防水碳布上，放置在60℃干燥箱中，约40min样品完全干燥，即得。防水碳布购买自台湾碳能科技有限公司（型号WOS1002/1009）；催化剂为精制碳质Mn基改性炭催化剂，购买自绿之原活性炭有限公司（型号TN/MC-Z313，负载类型：Mn复合氧化物）。
将实施例1制备好的碱性凝胶聚合物电解质裁成厚度为2 mm、直径为0.8 cm的圆形凝胶电解质，夹在两个圆形不锈钢薄片中间，使用CHI760E电化学工作站，测试条件为：扫描频率在（1 ~ 106 Hz) 、电压为0 v，得到凝胶电解质的阻抗值。按照公式：σ= l/RbA（l指的是凝胶电解质的厚度，Rb是电化学工作站测试的凝胶电解质的阻抗值，A是凝胶电解质的面积），计算出凝胶电解质的电导率。
将实施例1制备好的碱性凝胶聚合物电解质裁成厚度为3 mm、直径为2 cm的圆形凝胶电解质，将厚度为5 mm的铝板为阳极，以涂覆催化剂的防水碳布（1x1 cm2，1.97 mg/cm2）为空气阴极，将两者分别置于制备的凝胶电解质两侧，用塑料模具(PVC)组装成凝胶铝空电池。将此电池在1 mA/cm2的电流密度下进行放电试验，得到电池的稳定放电平台及有效工作时间。
上述实施例1制备所得碱性凝胶聚合物电解质的X射线衍射(XRD)结果如图1所示，图中显示其呈现非晶状态，使电解质的电导率提高。从图3的阻抗（EIS）图，可以计算出电导率约为0.199 S cm-1，图4是组装成铝空电池的开路电压，该电压较稳定且约为1.6V，图6的线性伏安扫描(LSV)结果显示：该铝空电池的功率密度为43.3 mW cm-2。从图7可以看出，在1mA cm-2的电流密度下，该铝空电池可稳定放电9.7h。由此说明：本发明制备的碱性凝胶聚合物电解质具有优异的电化学性能。
对比例1
一种碱性凝胶聚合物电解质的制备方法如下：
称取1.6g聚乙烯醇（分子量205,000）在室温条件下（25℃）加入到14 mL去离子水中，然后将其在水浴锅中进行磁力搅拌，持续搅拌约1 h，同时水浴锅的温度逐渐升至80℃至完全溶解获得PVA溶液（在搅拌过程中时刻观察，防止溶液表面形成一层薄膜），最终溶液呈乳白色泡沫状。同样的，将2 g聚环氧乙烷（分子量300,000）加入到14 mL去离子水中，在室温下磁力搅拌约1 h使其充分溶解，呈糊状，获得PEO溶液。然后将充分溶解的PEO溶液缓慢加入80℃磁力搅拌的PVA溶液中，继续搅拌约1 h，使其完全互溶，呈现粘稠糊状，获得聚合物溶液。最后逐滴加入5 mL 7 M/L的KOH溶液，充分搅拌，大约搅拌30 min获得均匀透明的溶液，将溶液倒入培养皿中，在室温下静置一夜，得到碱性凝胶聚合物电解质。
图3显示的是实施例1和对比例1聚合物电解质的阻抗（EIS）对比图，从图中可以计算出对比例1聚合物电解质的电导率约为0.077 S cm-1，与实施例1相比，相差一个数量级，图5和6分别是对比例1和实施例1的线性伏安扫描(LSV)结果图，与实施例1的43.3 mW cm-2相比，对比例1聚合物电解质的功率密度约为26.5 mW cm-2，电化学性能具有较大的差距。
对比例2
一种碱性凝胶聚合物电解质的制备方法如下：
称取2 g聚乙烯醇（分子量205,000）在室温条件下（25℃）加入到14 mL去离子水中，然后将其在水浴锅中进行磁力搅拌，持续搅拌约1 h，同时水浴锅的温度逐渐升至85℃至完全溶解获得PVA溶液（在搅拌过程中时刻观察，防止溶液表面形成一层薄膜），最终溶液呈乳白色泡沫状。同样的，将2 g聚环氧乙烷（分子量300,000）加入到14 mL去离子水中，在室温下磁力搅拌约1 h使其充分溶解，呈糊状，获得PEO溶液。然后将充分溶解的PEO溶液缓慢加入85℃磁力搅拌的PVA溶液中，继续搅拌约1 h，使其完全互溶，呈现粘稠糊状，获得聚合物溶液。最后逐滴加入5 mL 7 M/L的KOH溶液，充分搅拌，大约搅拌30 min获得均匀透明的溶液，将溶液倒入培养皿中，在室温下静置一夜，得到碱性凝胶聚合物电解质。
实施例1和对比例2所得碱性凝胶聚合物电解质的红外光谱（ATR-FTIR）对比图见图2。从图2可以看出，3410 cm-1 处是–OH的拉伸，对比例2的吸收峰宽度小，说明交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA)的加入，使得聚乙烯醇和聚环氧乙烷的分子主链结合更多的–OH，形成大量的氢桥，有利于电解质的储存，提升凝胶电解质的电化学性能；2961 cm-1处是C–H键的拉伸振动，对比例2的吸收峰比实施例1的强，1435 cm-1 处是–CH弯曲，对比例2的吸收峰比实施例1的弱，说明交联剂N,N’ -亚甲基双丙烯酰胺 (MBA)的加入，使得聚乙烯醇和聚环氧乙烷的分子主链发生了很大的变形，形成复杂稳定的网络框架，具有良好的热稳定性。从图7可以看出对比例2在1mA cm-2的电流密度下，该铝空电池可稳定放电约5 .1h。由此说明：本发明制备的碱性凝胶聚合物电解质具有优异的电化学性能。
对比例3
一种碱性凝胶聚合物电解质的制备方法如下：
称取2 g聚乙烯醇（分子量205,000）在室温条件下（25℃）加入到14 mL去离子水中，然后将其在水浴锅中进行磁力搅拌，持续搅拌约1 h，同时水浴锅的温度逐渐升至90℃至完全溶解获得PVA溶液（在搅拌过程中时刻观察，防止溶液表面形成一层薄膜），最终溶液呈乳白色泡沫状。同样的，将1.6 g聚环氧乙烷（分子量300,000）加入到14 mL去离子水中，在室温下磁力搅拌约1 h使其充分溶解，呈糊状，获得PEO溶液。然后将充分溶解的PEO溶液缓慢加入90℃磁力搅拌的PVA溶液中，继续搅拌约1 h，使其完全互溶，呈现粘稠糊状，获得聚合物溶液。最后逐滴加入5 mL 7 M/L的KOH溶液，充分搅拌，大约搅拌30 min获得均匀透明的溶液，将溶液倒入培养皿中，在室温下静置一夜，得到碱性凝胶聚合物电解质。
图1是实施例1和对比例3所制备的碱性凝胶聚合物电解质的X射线衍射(XRD)对比图，对比例3呈现出一定的晶体状态，在2θ=32.1°是KOH的特征峰，说明有一定的晶体存在，但大部分还是与聚乙烯醇和聚环氧乙烷以非晶的形式出现，在2θ=14.5°和2θ=16.3°与聚乙烯醇和聚环氧乙烷的特征峰都不对应，推测为两者复合后与KOH 络合形成一种盐的特征峰，或者是两者复合产物的径向衍射峰，由于复合产物晶体结构的存在，使得电解质的电导率不高约为0.066 S cm-1，远低于实施例1电解质的电导率0.199 S cm-1，由此说明：本发明制备的碱性凝胶聚合物电解质具有优异的电化学性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将聚乙烯醇溶液与聚环氧乙烷溶液混合搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液；
2）在步骤1）所得聚合物溶液中加入交联剂溶液和氢氧化钾溶液，混匀即得碱性凝胶聚合物电解质。
2.根据权利要求1所述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。
3.根据权利要求1所述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇、聚环氧乙烷和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为64~100：64~100：12。
4.根据权利要求3所述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，步骤2）所得碱性凝胶聚合物电解质中，聚乙烯醇质量浓度为3.6~5.5%，聚环氧乙烷质量浓度为3.6~5.5%，氢氧化钾摩尔浓度为0.8-1.2 mol/L。
5.根据权利要求1所述高电导率碱性凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，步骤1）具体为：称取一定量的聚乙烯醇粉末在室温条件下加入到去离子水中，然后在水浴锅中磁力搅拌0.1-1h，同时水浴锅温度逐渐升至80~90℃，获得稳定的溶液A；称取一定量的聚环氧乙烷粉末室温条件下均匀分散在去离子水中，获得稳定的溶液B；将溶液B倒入溶液A中继续在水浴锅中搅拌，获得均匀稳定的聚合物溶液。
6.采用权利要求1至5任一所述制备方法制备所得的高电导率碱性凝胶聚合物电解质。
7.权利要求6所述高电导率碱性凝胶聚合物电解质在制备铝空电池中的应用。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113517499A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-10-19 | 西北大学 | 一种基于pva/kc-koh复合凝胶电解质的柔性铝空气电池 |
| CN113871760A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-31 | 嘉兴学院 | 一种适用于气溶胶打印的凝胶电解质墨水及其制备方法 |
| CN114243166A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-25 | 郑州大学 | 一种高功率密度金属空气电池及制备方法 |
| CN114430084A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-05-03 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种柔性锌-空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用 |
| CN114725585A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-08 | 星铝新能源科技(徐州)有限公司 | 一种铝空气电池及其电解液 |
| CN117039075A (zh) * | 2023-06-16 | 2023-11-10 | 江苏微道能源科技有限公司 | 一种高拉伸强度和强保水性碱性凝胶电解质膜及其制备方法和应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI295306B (en) * | 2001-10-02 | 2008-04-01 | Mingchi Inst Of Technology | Development of alkaline solid state of peo/pva copolymer electrolyte |
| TW201125906A (en) * | 2010-01-18 | 2011-08-01 | Chun-Chen Yang | Production method for porous polyvinyl alcohol/polyoxyethylene polymer electrolyte membrane and application thereof |
| US20130149436A1 (en) * | 2011-12-07 | 2013-06-13 | National Kaohsiung University Of Applied Sciences | Process for preparing a solid state electrolyte used in an electrochemical capacitor |
| CN110581315A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-12-17 | 河南理工大学 | 一种高强度碱性聚合物电解质的制备方法 |
| CN111668539A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-15 | 西北大学 | PVA/Li+/PEO互穿网状结构复合凝胶电解质的制备方法 |
-
2021
- 2021-01-25 CN CN202110094509.7A patent/CN112713293B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI295306B (en) * | 2001-10-02 | 2008-04-01 | Mingchi Inst Of Technology | Development of alkaline solid state of peo/pva copolymer electrolyte |
| TW201125906A (en) * | 2010-01-18 | 2011-08-01 | Chun-Chen Yang | Production method for porous polyvinyl alcohol/polyoxyethylene polymer electrolyte membrane and application thereof |
| US20130149436A1 (en) * | 2011-12-07 | 2013-06-13 | National Kaohsiung University Of Applied Sciences | Process for preparing a solid state electrolyte used in an electrochemical capacitor |
| CN110581315A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-12-17 | 河南理工大学 | 一种高强度碱性聚合物电解质的制备方法 |
| CN111668539A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-15 | 西北大学 | PVA/Li+/PEO互穿网状结构复合凝胶电解质的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| GÉRALDINE MERLE等: ""New cross-linked PVA based polymer electrolyte membranes for alkaline fuel cells"", 《JOURNAL OF MEMBRANE SCIENCE》 * |
| 张正富等: ""PVA-PEO碱性聚合物电解质的制备与表征"", 《高分子材料科学与工程》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113517499A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-10-19 | 西北大学 | 一种基于pva/kc-koh复合凝胶电解质的柔性铝空气电池 |
| CN113871760A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-31 | 嘉兴学院 | 一种适用于气溶胶打印的凝胶电解质墨水及其制备方法 |
| CN113871760B (zh) * | 2021-09-23 | 2023-07-18 | 嘉兴学院 | 一种适用于气溶胶打印的凝胶电解质墨水及其制备方法 |
| CN114243166A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-25 | 郑州大学 | 一种高功率密度金属空气电池及制备方法 |
| CN114430084A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-05-03 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种柔性锌-空气电池凝胶电解质及其制备方法和应用 |
| CN114725585A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-08 | 星铝新能源科技(徐州)有限公司 | 一种铝空气电池及其电解液 |
| CN117039075A (zh) * | 2023-06-16 | 2023-11-10 | 江苏微道能源科技有限公司 | 一种高拉伸强度和强保水性碱性凝胶电解质膜及其制备方法和应用 |
| CN117039075B (zh) * | 2023-06-16 | 2024-06-07 | 江苏微道能源科技有限公司 | 一种高拉伸强度和强保水性碱性凝胶电解质膜及其制备方法和应用 |
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