CN112768750B - 一种可循环利用的溴化锌基固态储能电解质、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可循环利用的溴化锌基固态储能电解质、制备方法及其应用，包括，将溴化锌水溶液与纤维素混合、搅拌至透明，加入去离子水和钙盐，搅拌至钙盐溶解，超声、冷却后得到本发明的溴化锌基固态储能电解质。本发明所使用的纤维素、无机盐都是无毒无害的，有利于人体健康和环境保护；本发明所合成的固态电解质仅含无机盐、水以及纤维素，其中的无机盐和纤维素很容易回收利用，有利于降低电解质的生产成本。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能技术领域，具体涉及到一种可循环利用的溴化锌基固态储能电解质、制备方法及其应用。
背景技术
随着柔性、可穿戴的电子产品的快速发展，柔性的储能设备面临着废弃、更新换代的可能。固态电解质作为柔性储能设备的关键组件，在过去的发展中多以人工合成的聚合物为主。由于合成聚合物分解困难，给环境污染带来了严重的问题。使用可降解的聚合物避免滥用不可降解的合成聚合物有利于环境保护，然而却很难得到兼具电化学性能和一定机械性能的固态电解质。此外，为了节约储能产品的生产成本，固态电解质的回收和利用也需要特别的考虑。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
本发明的一个目的是提供一种可循环利用的溴化锌基固态储能电解质，固态电解质仅含无机盐、水以及纤维素，其中的无机盐和纤维素很容易回收利用，有利于降低电解质的生产成本。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种可循环利用的溴化锌基固态储能电解质，所述溴化锌基固态储能电解质呈凝胶状，其包括锌盐溶液、钙盐和纤维素；所述锌盐溶液为溴化锌水溶液；所述纤维素包括棉花纤维素和棉短绒纤维素中的一种或多种。
作为本发明可循环利用的溴化锌基固态储能电解质的一种优选方案，其中：所述溴化锌水溶液浓度为71～85wt％。
作为本发明可循环利用的溴化锌基固态储能电解质的一种优选方案，其中：所述纤维素质量占所述锌盐质量的0.8～2.0％。
作为本发明可循环利用的溴化锌基固态储能电解质的一种优选方案，其中：所述纤维素包括棉花纤维素和棉短绒纤维素中的一种或多种。
作为本发明可循环利用的溴化锌基固态储能电解质的一种优选方案，其中：所述钙盐为氯化钙或溴化钙。
作为本发明可循环利用的溴化锌基固态储能电解质的一种优选方案，其中：所述钙盐中钙离子质量占所述锌盐质量的0.24～1.2％。
本发明的另一个目的是提供一种可循环利用的溴化锌基固态储能电解质的制备方法，包括，将溴化锌水溶液与纤维素混合、搅拌至透明，加入去离子水和钙盐，搅拌至钙盐溶解，超声、冷却后得到本发明的溴化锌基固态储能电解质。
作为本发明可循环利用的溴化锌基固态储能电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述去离子水质量为所述锌盐溶液中水含量的20～150％。
作为本发明可循环利用的溴化锌基固态储能电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述溶解、所述搅拌、所述超声温度为65～85℃。
本发明的另一个目的是提供一种可循环利用的溴化锌基固态储能电解质在电容器/电池中的应用。
作为本发明可循环利用的溴化锌基固态储能电解质在电容器/电池中的应用的一种优选方案，其中：按负极、本发明的溴化锌基固态储能电解质、正极的顺序组装成电容器/电池；
其中，所述负极的活性物质为金属锌；所述正极的活性材料为炭材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明使用纤维素合成固态电解质，纤维素作为天然聚合物，是可生物降解的，所使用的纤维素、无机盐都是无毒无害的；本发明所合成的固态电解质仅含无机盐、水以及纤维素，其中的无机盐和纤维素很容易回收利用，有利于降低电解质的生产成本；溴化锌水溶液作为常用的储能电解质，将其凝胶化的技术有利于拓展其应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1制备的溴化锌基固态储能电解质的外貌和柔性展示。
图2为本发明实施例1制备的纤维素基固态电解质在水中的分解的过程。
图3为本发明实施例1制备的纤维素基固态电解质所组装的储能设备在50mV s-1扫描速率下，不同电位窗口的循环伏安曲线。
图4为本发明实施例1制备的纤维素基固态电解质所组装的储能设备在4A g-1电流密度下的恒电流充放电曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
(1)将12.25g溴化锌与2.845g去离去水混合，搅拌、加热至70℃；
(2)待溴化锌完全溶解后加入0.15g干燥的棉短绒，持续搅拌至棉短绒完全溶解；
(3)加入2g去离子水和0.2g氯化钙，搅拌至氯化钙完全溶解、溶液变粘稠；
(4)将所得粘稠液转移至70℃的水浴中超声以脱除气泡；
(5)将粘稠液倒入磨具，冷却得到可用于储能器件的固态电解质。
图1为本实施例1制备的固态电解质的外貌图，所制备的固态电解质为无色透明且具有机械性能的凝胶，可扭曲、拉伸，可用于组装柔性的储能设备。
图2为本实施例1制备的固态电解质在水中的分解过程，可以看到原凝胶可在60s内迅速分解。这是由于凝胶中的电解质盐会向水中扩散，使得原本溶解的纤维素析出，纤维素的析出加剧了凝胶的瓦解，最后使凝胶分解成无机盐、水、纤维素的混合物。烧杯底部可看到析出的纤维素，无机盐和纤维素可作为固态电解质的合成成分分别回收。
实施例2
将实施例1制备的固态电解质组装成电容器，具体是按照负极、固态电解质、正极的顺序以三明治结构组装，负极采用锌箔，正极采用负载活性炭的钛箔。测试电容器的性能。
图3为实施例1制备的固态电解质组装成锌离子电容器/电池后在50mV s-1扫描速率下循环伏安曲线。随着扫描电位窗口的增大，循环伏安的面积也增大，这是由于溴参与的可逆反应导致的。循环伏安曲线在1.8V以内主要表现为电容器的行为，在1.8V以后可以明显观察到可逆的电池行为。
图4为实施例1制备的固态电解质组装成锌离子电容器/电池后在4A g-1电流密度下的恒电流充放电曲线。在0-1.8V的窗口下，该电容器/电池的放电容量可达到164mAh g-1(按活性炭的负载量算比电容量)。
实施例3
(1)将12.25g溴化锌与4.56g去离去水混合，搅拌、加热至80℃；
(2)待溴化锌完全溶解后加入0.10g干燥的棉短绒，持续搅拌至棉短绒完全溶解；
(3)加入1g去离子水和0.15g氯化钙，搅拌至氯化钙完全溶解、溶液变粘稠；
(4)将所得粘稠液转移至80℃的水浴中超声以脱除气泡；
(5)将粘稠液倒入磨具，冷却得到可用于储能器件的固态电解质。
将本实施例3制备的固态电解质与锌箔、活性炭组装锌离子储能设备，在0-1.8V的窗口和4A g-1的电流密度下，该电容器/电池的放电容量可达到151mAh g-1。
实施例4
(1)将12.25g溴化锌与2.2g去离去水混合，搅拌、加热至75℃；
(2)待溴化锌完全溶解后加入0.12g干燥的棉短绒，持续搅拌至棉短绒完全溶解；
(3)加入3g去离子水和0.1g氯化钙，搅拌至氯化钙完全溶解、溶液变粘稠；
(4)将所得粘稠液转移至75℃的水浴中超声以脱除气泡；
(5)将粘稠液倒入磨具，冷却得到可用于储能器件的固态电解质。
将本实施例4制备的固态电解质与锌箔、活性炭组装锌离子储能设备，在0-1.8V的窗口和4A g-1的电流密度下，该电容器/电池的放电容量可达到143mAh g-1。
实施例5
(1)将12.25g溴化锌与3.0g去离去水混合，搅拌、加热至85℃；
(2)待溴化锌完全溶解后加入0.2g干燥的棉短绒，持续搅拌至棉短绒完全溶解；
(3)加入2g去离子水和0.3g氯化钙，搅拌至氯化钙完全溶解、溶液变粘稠；
(4)将所得粘稠液转移至85℃的水浴中超声以脱除气泡；
(5)将粘稠液倒入磨具，冷却得到可用于储能器件的固态电解质。
将本实施例5制备的固态电解质与锌箔、活性炭组装锌离子储能设备，在0-1.8V的窗口和4A g-1的电流密度下，该电容器/电池的放电容量可达到133mAh g-1。
实施例6
(1)将12.25g溴化锌与3.0g去离去水混合，搅拌、加热至85℃；
(2)待溴化锌完全溶解后加入0.2g干燥的棉短绒，持续搅拌至棉短绒完全溶解；
(3)加入2g去离子水和0.4g溴化钙，搅拌至氯化钙完全溶解、溶液变粘稠；
(4)将所得粘稠液转移至85℃的水浴中超声以脱除气泡；
(5)将粘稠液倒入磨具，冷却得到可用于储能器件的固态电解质。
将本实施例6制备的固态电解质与锌箔、活性炭组装锌离子储能设备，在0-1.8V的窗口和4A g-1的电流密度下，该电容器/电池的放电容量可达到139mAh g-1。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种可循环利用的溴化锌基固态储能电解质在电容器/电池中的应用，其特征在于：按负极、溴化锌基固态储能电解质、正极的顺序组装成电容器/电池；
所述电容器/电池具有如下特性：
（i）循环伏安曲线在1.8 V以内表现为电容器的行为，在1.8 V以后表现为可逆的电池行为；
（ii）在0-1.8 V的窗口下，该电容器/电池的放电容量达到164mAh g-1；其中，所述负极的活性物质为金属锌；所述正极的活性材料为炭材料；
所述溴化锌基固态储能电解质的制备方法，包括，
（1）将12.25 g溴化锌与2.845 g去离去水混合，搅拌、加热至70oC；
（2）待溴化锌完全溶解后加入0.15 g干燥的棉短绒，持续搅拌至棉短绒完全溶解；
（3）加入2 g去离子水和0.2 g氯化钙，搅拌至氯化钙完全溶解、溶液变粘稠；
（4）将所得粘稠液转移至70oC的水浴中超声以脱除气泡；
（5）将粘稠液倒入磨具，冷却得到可用于储能器件的固态电解质。
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