1. 上海尚德实验学校，上海市浦东新区秀沿路1688号，201315
中图分类号 TM912 文献标识码 A
摘要：针对传统柔性锌空电池所用的凝胶电解质易失水，寿命短的问题，本文采用TEAOH作为保水材料，加入到PVA-KOH传统凝胶体系中，制备了TEAOH-PVA-KOH复合电解质，研究了其失水特性与在柔性锌空电池中的电池性能。研究发现，TEAOH-PVA-KOH具有良好的保水性能，同时，能够使所制备的柔性锌空电池具有1 V的放电平台与2 V的充电平台。
关键词：四乙基氢氧化铵，保水，凝胶电解质，柔性锌空电池
1 引言
柔性锌空电池具有较高的理论能量密度，可达1086 W h/kg，是锂电池的3~5倍[1]；同时，具有较好的柔性与安全性，可作为柔性储能器件被应用于能量需求较高的柔性电子器件[2]。目前，所研究的柔性锌空电池主要由锌负极，半固态凝胶电解质，以及搭载有催化剂的空气电极组成。其中，对于负载催化剂的空气电极研究较为广泛，而对于凝胶电解质的研究较少。
已有报道的柔性锌空电池所使用的凝胶电解质主要是PVA-KOH体系，PVA-KOH凝胶电解质在空气中易失水，尤其是电池充放电循环时失水现象更为严重，凝胶表面溢出的水会淹没空气电极，造成空气电极催化剂失效，使得充放电性能下降，循环寿命短，大大限制了柔性锌空电池的大规模应用。因此，对于提升凝胶电解质的保水性能，具有重大意义。
针对以上背景，本文创新性的提出将TEAOH引入到传统的PVA-KOH凝胶电解质体系中，使凝胶电解质具有良好的保水性能和高OH–离子浓度，同时也提升了离子迁移率。该凝胶电解质在柔性锌空电池的应用，在保持电池的循环性能下，又延长了循环寿命。对于推动柔性锌空电池的实际应用具有重要意义。
2 实验
2.1实验原料
聚乙烯醇（PVA MW~195000，上海迈瑞尔化学技术有限公司）；四乙基氢氧化铵（TEAOH MW 147.26, 35 wt%，萨恩化学技术上海有限公司）；氢氧化钾（KOH 试剂纯 95%，上海麦克林生化科技有限公司）；二次去离子水作为实验用水。
2.2电解质的制备
TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质的制备首先，用量筒量取35 wt%的TEAOH水溶液9 mL倒入烧杯中，用磁力搅拌器快速搅拌。随后，用天平称量0.5 g KOH加入到溶液中，搅拌至溶解，并恢复室温。然后，用天平称量1 g PVA，缓慢加入到含有KOH的TEAOH水溶液中，并快速搅拌，使PVA均匀分散在溶液中，避免产生团聚。最后将混合液转移至水浴锅加热，由室温加热至90 ℃，使液体成为胶状液体，将胶状液体倒入容器冷冻交联3 h，自然解冻，形成保水凝胶电解质。
PVA-KOH传统凝胶电解质的制备首先，用天平称量1 g PVA加入到7 mL二次去离子水中，溶胀后，转移至水浴锅加热，由室温加热至90 ℃，至PVA全部溶解。随后，加入3 mL含有1 g KOH的水溶液，继续加热搅拌，直至溶液呈透明淡黄色。然后，将胶状液体倒入容器冷冻交联2~4 h，自然解冻，形成传统凝胶电解质。
2.3电解质的失水观察
将制备好的TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质和PVA-KOH传统凝胶电解质，同时分别放在两个相同大小的培养皿中进行失水观察，2、6和16 h后对两种电解质进行拍照记录。
2.4电解质的性能测试
以负载四氧化三钴的碳布电极作为空气正极，以TEAOH-PVA-KOH保水凝胶作为电池隔膜与电解质，以锌片作为负极，制备成三明治叠层柔性锌空电池。采用蓝电电池测试系统对电池进行电流密度为1 mA/cm2,充电、放电时间各为20 min的恒电流充放电循环测试。
3 实验结果与讨论
3.1 TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质
采用上述制备方法，制得了TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质，如图1所示。所制备的TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质，形如果冻，颜色为棕黄色，具有良好的柔性和保湿性能，同时又具有一定的机械强度和粘度。TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质，在一定程度的拉伸、压缩和揉捏下，可恢复形状。
图1 TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质
3.2 失水情况对比
如图2所示，分别是TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质和PVA-KOH传统凝胶电解质的原始状态、空气中放置2、6和16 h后状态的照片。从图中，我们可以发现，PVA-KOH传统凝胶电解质的保水性能较差，在2 h后就开始失水，表面出现部分的液体，在6 h后开始出现形状收缩，无法保持原始状态。相比之下，TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质的保水性能较强，在16 h后就才逐渐在表面出现少量的液体，出现溢水的状态，但其形状保持良好。所出现的液体可能是因为电解质呈碱性，对空气中的水分具有吸收作用。
图3，TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质为隔膜和电解质的柔性锌空电池以1 mA/cm2电流密度恒电流充放电循环结果
4 结论与展望
本文制备了TEAOH-PVA-KOH保水凝胶电解质，与PVA-KOH传统凝胶电解质进行了失水情况对比，结果表明，TEAOH的加入能够大大提升了凝胶电解质的保水性能。同时，该电解质具有良好的电化学性能，柔性锌空电池具有较高的放电平台和较低的充电平台，以及较高的循环稳定性和较长的使用寿命。
通过保水材料的引入，能够在一定程度改善传统凝胶电解质的失水情况。相信，更加深入的研究，能够使凝胶电解质性能进一步提升，在柔性锌空电池中得到应用。
参考文献
[1] Y. Li, H. Dai, Recent advances in zinc-air batteries, Chemical Society Reviews, 43 (2014) 5257-5275.
[2] Y. Li, C. Zhong, J. Liu, X. Zeng, S. Qu, X. Han, Y. Deng, W. Hu, J. Lu, Atomically Thin Mesoporous Co3O4 Layers Strongly Coupled with N-rGO Nanosheets as High-Performance Bifunctional Catalysts for 1D Knittable Zinc-Air Batteries, Advanced Materials, 30 (2018) 1703657.
[3] Y. Xu, Y. Zhang, Z. Guo, J. Ren, Y. Wang, H. Peng, Flexible, Stretchable, and Rechargeable Fiber-Shaped Zinc-Air Battery Based on Cross-Stacked Carbon Nanotube Sheets, Angewandte Chemie - International Edition, 54 (2015) 15390-15394.
作者简介：黄兴杨，研究兴趣：化学与能源；
鲍若凡，中学一级教师。研究方向：科技创新与教学融合、课堂渗透心理学、信息技术与教学融合。
论文作者:黄兴杨 鲍若凡
论文发表刊物:《科技新时代》2018年9期
论文发表时间:2018/11/14
标签：电解质论文; 凝胶论文; 柔性论文; 电池论文; 传统论文; 水性论文; 液体论文; 《科技新时代》2018年9期论文;