本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種用于鐵鎳電池的凝膠電解質(zhì)及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鐵鎳電池是一種由托馬斯·愛迪生發(fā)明的可充電電池。鐵在地殼中含量豐富分布廣泛，負(fù)極材料比較容易獲得且成本較低，適用于大規(guī)模能源儲(chǔ)備。鐵鎳電池主要用于長時(shí)間、中等電流情況下的使用，其工作電壓為1.2v，具有耐用性、能夠經(jīng)受一定程度的使用事故(包括過度充電、過度放電、短路、過熱)，并且在這種損害后仍能保持較長的壽命。使用對(duì)環(huán)境更友好的電解液，也可以有效的阻止有機(jī)電解液在充放電過程中的安全問題。雖然鐵鎳電池未來的應(yīng)用前景廣闊，但材料本身的問題仍然存在，并造成了很多問題，包括能量密度不足，循環(huán)性有限，大量的氫氣析出，速率性能不佳，在大型儲(chǔ)能設(shè)備中，由于氫氣的長期積累增加電池的內(nèi)壓，使得電池出現(xiàn)電解液泄漏的現(xiàn)象。

2、在我國，鐵鎳電池的研制相比于國外的起步晚，但也得到了大力的發(fā)展，在后期的發(fā)展很迅速。從二十世紀(jì)八十年代以來，鐵鎳電池的研究主要是在部分高校和企業(yè)進(jìn)行。南開大學(xué)的林東風(fēng)等人一直投身于鐵鎳二次電池的研究，并且取得了一定的成果，相繼解決了充電效率低、倍率放電性能差等問題。鄭州輕工業(yè)化工學(xué)院的項(xiàng)民等人就鐵電極的研究現(xiàn)狀做了報(bào)道，重點(diǎn)總結(jié)了鐵電極存在的問題，并且歸納了解決鐵電極鈍化、自放電等問題的方法。在2011年前后，李青松等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)利用泡沫鎳做集流體，可以增加電極的比容量，電解液溶度越高，鐵負(fù)極的膨脹系數(shù)越大，而且發(fā)現(xiàn)在電解液中加入no3-后，電極的性能變得更差。在2012年，feiwei等人共同研制出了超快充鐵鎳電池，充電只需2分鐘，放電30s就能夠獲得120wh?kg-1的比能量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的尤萬向電解液中加入na2s的情況下，在0.1c的放電倍率下放電比容量達(dá)到560ma·h/g，而且提高了電池的高低溫性能，在5℃的環(huán)境下放電比容量為550ma·h/g，40℃的環(huán)境下放電比容量為650ma·h/g，而且不會(huì)引起電池的自放電。國內(nèi)，半固態(tài)凝膠聚合物電解質(zhì)在鋰離子電池中的應(yīng)用相對(duì)廣泛。zhao等使用甲基膦酸二甲酯(dmmp)作為功能性阻燃劑和增塑劑，用于聚偏二氟乙烯(pvdf)基質(zhì)，開發(fā)了一種新型的不易燃pvdf-dmmp?gpes用于鋰離子電池。這種dmmp不僅極大地增強(qiáng)了pvdf-dmmp?gpes的阻燃性，還有效提高了鋰鹽的解離效率和鋰離子的快速傳輸。li等采用溶液澆鑄法將含β-環(huán)糊精(β-cd)添加劑的聚偏氟乙烯-六氟丙烯(pvdf-hfp)澆涂于預(yù)處理的聚乙烯(pe)基體上，制備了pvdf-hfp/β-cd@pe復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)。結(jié)果表明，當(dāng)β-cd添加量為5.0wt％時(shí)，得到的復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、鋰離子遷移數(shù)和電化學(xué)穩(wěn)定窗口分別為4.851×10-4s/cm、0.77、5.1v(vs?li+/li)，以其組裝的li||lifepo4電池的放電比容量為168.1mah?g-1，循環(huán)150圈仍保持穩(wěn)定。將凝膠電解質(zhì)應(yīng)用于鐵鎳電池的優(yōu)勢就更為明了，可以有效的解決大型儲(chǔ)能設(shè)備存在的電解液揮發(fā)泄露問題，展開適用于鐵鎳電池的高分子聚合物電解質(zhì)的研究具有非常重要的意義。

3、凝膠電解質(zhì)在新能源行業(yè)中備受關(guān)注，相對(duì)于傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，凝膠體系可以將電解質(zhì)固定在電極孔徑中，從而避免液態(tài)電解質(zhì)的泄漏和揮發(fā)等問題，其極板不會(huì)發(fā)生腐蝕，使用壽命比傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)電池更長，凝膠電解質(zhì)在電極孔徑中可以形成大量的離子通道，電離度較高，從而使得凝膠電解質(zhì)具有更高的電導(dǎo)率，電池的能量密度也可以更大程度的提高。凝膠電解質(zhì)不含重金屬等污染物質(zhì)，回收和再利用率較高，更加環(huán)保。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)中存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于鐵鎳電池的凝膠電解質(zhì)制備方法。所述凝膠電解質(zhì)克服了部分技術(shù)難題，具有低流動(dòng)，活性物質(zhì)分布均勻，減少電解質(zhì)的泄露和揮發(fā)等危險(xiǎn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)電解質(zhì)分子間的相互作用力大于水分子之間的相互作用，因此能夠有效減少因產(chǎn)氣而引起的電解液爬出的問題。

2、一種用于鐵鎳電池的凝膠電解質(zhì)，所述凝膠電解質(zhì)包括以下組分：

3、水系電解液：80～90wt％；

4、聚乙烯醇：8～10wt％；

5、聚丙烯酸鉀：1～4wt％；

6、以及電解質(zhì)鹽或添加劑；

7、所述電解質(zhì)鹽為0.2～1wt％的硫酸鋰，添加劑為1～4wt％的聚乙烯吡咯烷酮、0.2～1wt％的磷酸氫二銨、0.2～0.8wt％的木質(zhì)素磺酸鈣、1～4wt％的殼聚糖中的一種；

8、所述水系電解液包括以下組分：koh：20～50wt％、lioh：1～2wt％，余量為水。

9、上述用于鐵鎳電池的凝膠電解質(zhì)的制備方法，具體包括以下步驟：

10、步驟s1：按各物質(zhì)組分稱取原料，制備水系電解液；

11、步驟s2：將聚乙烯醇和聚丙烯酸鉀依次溶于步驟s1所得水系電解液中，得到混合溶液；

12、步驟s3：在步驟s2所得混合溶液加入電解質(zhì)鹽或添加劑，混合后制得用于鐵鎳電池的凝膠電解質(zhì)。

13、所述步驟s1具體包括以下步驟：

14、步驟s11：根據(jù)水系電解液各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分比稱取原料；

15、步驟s12：將步驟s11所得的原料分多次加入水中，攪拌后獲得澄清溶液；

16、步驟s13：將步驟s12所得溶液密封，避免氧化，于室溫環(huán)境靜置冷卻，直至溶液溫度降至室溫，所得溶液即為水系電解液。

17、所述步驟s2中，具體包括以下步驟：

18、步驟s21：將水系電解液加熱備用；

19、步驟s22：按照配比稱取聚乙烯醇和聚丙烯酸鉀，隨后將聚乙烯醇和聚丙烯酸鉀依次加入水系電解液中，混合均勻，攪拌；

20、步驟s23：待混合后繼續(xù)加熱，持續(xù)攪拌直至充分混合均勻。

21、所述步驟s23中，加熱至80～95℃，攪拌時(shí)間0.5～1h。

22、所述步驟s3中，具體包括以下步驟：

23、步驟s31：將一定量的硫酸鋰或者聚乙烯吡咯烷酮加入配置好的電解質(zhì)中，攪拌直至混合均勻；

24、步驟s32：將混合均勻的電解液密封避免氧化，靜置，即得凝膠電解質(zhì)。

25、所述步驟s31中，攪拌過程采用手動(dòng)攪拌。

26、所述步驟s32中，靜止時(shí)間為12～24h。

27、上述用于鐵鎳電池的凝膠電解質(zhì)的應(yīng)用，具體為制備鐵鎳電池，包括以下步驟：

28、將正負(fù)極原料分別均勻攪拌形成粘稠的電極漿料，將漿料均勻的涂抹在泡沫鎳上，并預(yù)留作為正負(fù)極極耳，烘干后得到正負(fù)極極片；將制得的凝膠電解質(zhì)均勻地涂在由電動(dòng)對(duì)輥機(jī)碾壓過的正負(fù)極片上，用隔膜分別將正負(fù)極片包裹，再根據(jù)正負(fù)極片大小將凝膠電解質(zhì)均勻地涂在帶有隔膜的正負(fù)極表面，使用膠帶將正負(fù)極片組裝在一起裝入封閉袋中，加入凝膠電解質(zhì)，即得鐵鎳電池。

29、本發(fā)明所制備的用于鐵鎳電池的凝膠電解質(zhì)的原理如下：

30、1.本發(fā)明制備的凝膠電解質(zhì)，以聚乙烯醇和聚丙烯酸鉀作為電解質(zhì)的基底有兩方面原因：一是聚合物本身為高分子物質(zhì)，能夠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，具有較好的力學(xué)性能和溶脹性；二是聚合物能夠通過復(fù)合離子化合物來加速離子的運(yùn)輸速率，在保持原有的機(jī)械穩(wěn)定性的同時(shí)，具有更好的導(dǎo)電性、界面張力和界面相容性。

31、2.本發(fā)明的步驟s1中，必須分多次將堿性物質(zhì)加入攪拌的溶液中，若一次性加入，則會(huì)產(chǎn)生大量的熱導(dǎo)致溶液沸騰、電解質(zhì)蒸發(fā)，從而造成電解質(zhì)配比不準(zhǔn)確。

32、3.在堿性聚合物電解質(zhì)中，pva-koh體系機(jī)械性能好，但室溫下電導(dǎo)率最大值僅為2.01×10-3scm-1，而paak體系室溫條件下電導(dǎo)率的最大值可為0.288scm-1，然而其機(jī)械性能較差。因此在本發(fā)明當(dāng)中，采用兩種聚合物電解質(zhì)進(jìn)行混合使用，聚乙烯醇和聚丙烯酸鉀均無毒，無腐蝕性，溶于水，易溶于堿性溶液并可以穩(wěn)定存在。此外，聚丙烯酸鉀具有一定的保水性，在溶于堿性電解質(zhì)后長期保存粘度變化極小。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

34、1.電解質(zhì)鹽一般作為添加劑對(duì)凝膠聚合物電解質(zhì)進(jìn)行性能改善，本發(fā)明采用溶劑化效應(yīng)較強(qiáng)的鹽類硫酸鋰，有效的提高了離子的運(yùn)輸效率，放電比容量大大增加，循環(huán)性能更加穩(wěn)定。

35、2.相對(duì)于傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，本發(fā)明所提供的凝膠體系能夠?qū)㈦娊赓|(zhì)固定在電極孔徑中，從而避免液態(tài)電解質(zhì)的泄漏和揮發(fā)等問題，其極板不會(huì)發(fā)生腐蝕，使用壽命比傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)電池更長。

36、3.本發(fā)明所提供的凝膠電解質(zhì)在電極孔徑中可以形成大量的離子通道，電離度較高，從而使得凝膠電解質(zhì)具有更高的電導(dǎo)率，電池的能量密度也可以更大程度的提高，且凝膠電解質(zhì)不含重金屬等污染物質(zhì)，回收和再利用率較高，更加環(huán)保。