锌离子电池用纳米纤维素/聚乙烯醇凝胶电解质的制备及其性能研究
1. 背景
随着煤炭等化石资源的日渐枯竭，发展太阳能、风能和水能等可再生能源已经成为全球性趋势[1-2],电池作为高效率无污染的能源转换装置越来越受到人们的重视,如今各种型号和种类的电池已超过1000种,遍布人们日常生活、产业经济、科学技术、军事领域等方方面面,当今社会,手机、电脑、音频播放器等电子产品,火车、汽车、飞机等交通工具,潜艇、导弹等军事装备和武器，都离不开电池技术的发展[3]。然而一次性电池易造成资源浪费,传统铅酸蓄电池又易导致区域性污染严重[4-5]；二次电池中锂离子电池虽然具有较宽的电位窗口,通常能实现高能量密度但其主要以无水有机溶液为电解液,有机溶剂通常有毒且易燃,使得锂离子电池存在高爆炸危险性,而锌在水溶液较稳定,且能量密度高,同时金属锌具有资源丰富,低毒性以及易处理等优点,使其成为二次锌离子水系电池的理想的绿色电池体系。
2. 锌离子概述
水体系锌二次电池具有加工简单、价格低廉，绿色环保等诸多优点，有较大的应用前景，因此得到了广泛关注。但是随着对电池研究的深入，也陆续发现一种以石墨烯为基础的复合气凝胶来负载金属氧化物纳米粒子的高能量密度的赝电容电极[1]。所使用的复合气凝胶电极表现出高达35.92 mu;Wh/cm2的面密度能量密度和17.79 mW/cm2 的功率密度，同时具有优异的循环寿命。这种方法制备电极较为简单且经济有效，具有自支撑的结构还能够进行柔性的弯曲。Sha Li等用牛血清模拟人体血液环境作为电解液，以聚吡咯为正极活性物质，制备了可植入人体的微型锌电池[2]。这种电池以人体血液为电解液，所使用材料生物相容性极佳，有很好的医学应用前景。韩家军等用电化学的方法，对比研究了正极材料过充降解、负极材料纯化、枝晶形成、电解液及集流体腐蚀这五个因素对锌－聚苯胺电池的循环寿命的影响[3]。研究结果表明：负极的枝晶的形成是引起电池短路的主要因素，使得电池仅有70个循环的寿命。其次，电池正极材料的过充降解也会直接导致电池循环寿命的降低。而负极材料纯化、电解液干润和集流体的选择均会对电池的循环寿命造成不同程度的影响。 这些研究成果对水系锌二次电池的研究具有深远的指导意义。
首先，在电池充放电过程中，锌离子在金属锌表 面反复溶解和沉积, 易形成树枝状沉积物。随着循环 次数增加，这些沉积物继续长大，形成锌枝晶[4-5]。锌枝晶易刺穿隔膜引起电池短路，造成电极形变，从而降低其电池容量；其次，锌电极自腐蚀的微观实质是由于锌电极表面不均且不同区域电位不同，因此形成无数个共同作用的腐蚀微电池[5]。腐蚀使之自放电，降低电池容量；最后，锌电极的钝化是由于放电生成了难溶的ZnO或Zn(OH)2等阳极产物，其覆盖在电极表面影响了锌的溶解，使锌电极反应表面积变少，电极失去活性后变为“钝态”[3]。然后电极比表面积下降，之后电极密度就会升高，电池便会极化，使电池的循环性能下降[5-6]。
3. 纳米纤维素
纤维素是自然界中储量最大的天然高分子。基本上所有植物含量最高的成分就是纤维素，例如棉花中纤维素含量可达99%。所以纤维素是一种取之不尽的可再生资源。与人工合成的高分子相比，纤维素具备生物相容性、生物可降解性和绿色无毒等优点，人们一直在拓宽纤维素的应用范围，如今在能量存储方面，纤维素也占有了一席之地。纳米纤维素是一维纳米材料，它往往是从聚集态的微米纤维素中剥离而得，因此直径要求小于100 nm。实际上，当材料微观尺寸达到纳米级之后，会出现许多优秀的特性，而纳米纤维素正是这样。研究发现，纳米纤维素纳米纤维在储能料领域的应用有很好的前景。因为纳米纤维素表面的含氧官能团丰富以及长径比较大等特点使得此种材料在作为电极材料基底的应用时，可作为活性物质反应的位点，提高活性物质的利用率，从而提高反应活性。
研究发现，纳米纤维素纳米纤维在储能料领域的应用有很好的前景。因为纳米纤维素表面的含氧官能团丰富以及长径比较大等特点使得此种材料在作为电极材料基底的应用时，可作为活性物质反应的位点，提高活性物质的利用率，从而提高反应活性。
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