PAM基复合水凝胶电解质的制备及其在Zn–MnO₂电池中的应用

摘要

水系锌离子电池具有低成本、安全、环保等优点，在规模化储能和智能可穿戴方面极具应用前景.提高其循环稳定性以及循环寿命是实现水系锌离子电池进一步应用的关键问题之一.本工作采用二维层状蒙脱土（MMT）和丙烯酰胺单体，通过两步法合成了具有三维网状结构的蒙脱土–聚丙烯酰胺水凝胶电解质（Montmorillonite–polyacrylamide hydrogel,MMT–PAM）.蒙脱土的加入为丙烯酰胺单体的原位聚合提供了吸附位点，并通过MMT和PAM高分子链之间的氢键作用显著提高了水凝胶的机械性能，抑制了锌枝晶生长(在0.5 mA·cm^-1电流密度下稳定循环250 h).此外，蒙脱土表面丰富的负电荷为Zn²⁺的快速传输提供更多离子传输通道，提高其离子电导率(室温下为34 mS·cm^-1)，赋予MMT–PAM水凝胶电解质更好的倍率性能和循环稳定性.基于上述优点，组装的水系Zn–MnO₂电池在0.2 A·g^-1的电流密度下提供了289 mA·h·g^-1的比容量，且可稳定循环2000次.此外，使用MMT–PAM水凝胶作为电解质制备的柔性电池在经过不同外界条件冲击下依然可正常工作，表现出了其在柔性电子领域的应用可行性.

关键词

Zn–MnO₂电池 / 水凝胶电解质 / 蒙脱土 / 循环稳定性 / 机械强度 / 柔性电池

基金资助

国家自然科学基金资助项目(22001057,21902044); 山东省高等学校青创人才引育计划