一种短肽自组装超分子水凝胶电解质及其制备方法、以及二次锌离子电池

1.本发明属于电池制备的技术领域，尤其涉及一种短肽自组装超分子水凝胶电解质及其制备方法、以及二次锌离子电池。


背景技术：

2.随着现代医疗保健行业的发展，人们对自身健康更为重视，各种健康监测方面的柔性电子设备层出不穷，在保障柔性电子设备性能的同时，也需要保障其舒适性，而传统的电池由于其刚性难以在此基础上满足柔性电子设备的供电需求，因此需要柔性供电设备，相较于传统电池，具有柔性的水凝胶电池更适配于柔性电子设备。
3.由于与人体直接或者间接接触，因此最重要的应该是保障其安全性，锌离子电池相较于锂离子电池更加安全和环保，在柔性电子设备上具有显著优势，但水系锌离子电池的枝晶和副反应等问题严重制约了锌离子电池的应用。目前锌离子电池常见的水凝胶电解质多采用聚丙烯酰胺(pam)、聚乙烯醇(pva)等材料，柔性电池往往与人体直接接触，目前常用的聚合物、有机电解质如果发生泄露可能会对使用者健康造成危害。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是解决背景技术中的问题，提出一种短肽自组装超分子水凝胶电解质及其制备方法、以及二次锌离子电池。
5.为实现上述目的，本发明提出了一种短肽自组装超分子水凝胶电解质，所述水凝胶电解质包括短肽材料、离子导体、机械性能调控材料，所述离子导体包括znso4、zncl2、zn(cf3so3)2中的至少一种，所述机械性能调控材料包括明胶、丝素蛋白、pegda中的至少一种。
6.作为优选，所述短肽材料包括短肽或短肽衍生物。
7.作为优选，所述短肽材料、机械性能调控材料、离子导体分别占所述短肽自组装超分子水凝胶电解质总质量的(10～30％)、(5～20％)、(5～20％)。
8.作为优选，所述水凝胶电解质还包括去离子水、碳酸钙、交联剂中的至少一种。
9.本发明还提出了一种上述短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法，包括以下几个步骤：
10.将离子导体溶解到去离子水中，得到电解液；
11.将机械性能调控材料溶解到电解液中得到均匀溶液；
12.将短肽材料溶解到溶剂中，之后加入上述均匀溶液中，得到混合溶液；
13.将混合溶液导入模具中，静置得到水凝胶材料；
14.将水凝胶材料放入所述电解液中浸泡得到短肽自组装超分子水凝胶电解质。
15.作为优选，所述溶剂为乙醇溶液。
16.本发明还提出了一种二次锌离子电池，所述二次锌离子电池包括正极片、负极片、上述水凝胶电解质，所述短肽自组装超分子水凝胶电解质设于正极片和负极片之间。
17.作为优选，所述正极片由集流体和无机材料组成，所述无机材料涂覆在集流体表面，所述无机材料占正极片总质量的10～30％。
18.作为优选，所述集流体包括锌箔、钛箔、铜箔、碳纳米纸中的至少一种，所述无机材料包括mno2、v2o5、普鲁士蓝类似物中的至少一种。
19.作为优选，所述正极片和负极片的表面均用pdms封装。
20.本发明的有益效果：
21.1).本发明通过使用短肽材料作为水凝胶电解质的主体，将水凝胶电解质添加至锌离子电池，锌离子电池工作时水凝胶电解质中的短肽可动态吸附到锌负极界面，抑制锌表面枝晶和副反应。
22.2).本发明通过在水凝胶电解质使用蛋白质材料和pegda以加强水凝胶的强度，使得水凝胶电解质具有良好的机械性能。
23.3).本发明通过在水凝胶电解质中加入离子导体以提高水凝胶电解质的离子电导率，使得水凝胶电解质的储能模量可达0.5mpa，与人体皮肤相当，离子电导率可达3.1
×
10-2
scm-1
。
24.4).本发明的水凝胶电池所采用材料安全可靠，无对人体有害的成分，可以有效缓解材料泄露导致的安全问题。
25.5).本发明的水凝胶电解质具有较好的柔性，制备工艺简单、成本低、在柔性电子设备供电方面具有广泛应用前景。
26.本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
27.图1为本发明实施例的水凝胶材料的sem图。
28.图2为本发明实施例的水凝胶材料实物图。
29.图3为本发明实施例的二次锌离子电池的结构示意图
30.图4为本发明实施例的水凝胶电解质的电导率图。
31.图5为本发明实施例的水凝胶电解质的电导率图。
32.图6为本发明实施例的水凝胶电解质的阻抗图。
33.图7为本发明实施例的水凝胶材料储能模量和耗散模量图。
34.图8为本发明实施例的二次锌离子电池循环图。
35.图中，1-水凝胶电解质、2-负极片、3-正极片、4-pdms层。
具体实施方式
36.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
37.实施例1
38.本实施例提供了一种短肽自组装超分子水凝胶电解质，该水凝胶电解质由以下成分组成：fmoc-ff、七水合硫酸锌、去离子水、pegda-700。
39.本实施例提供了一种上述短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法，包括以下几个步骤：
40.s01.称取17.25g七水合硫酸锌，将其加入到30ml去离子水中，搅拌均匀，充分溶解后，静置12h，得到电解液；
41.s02.向上述电解液中加入占水凝胶电解总质量的15％的pegda-700，加热搅拌30min，得到均匀溶液；
42.s03.将250mgfmoc-ff溶解于5ml乙醇溶液中，在80℃水浴中加热2h，得到短肽母液，将短肽母液与s02步骤得到的均匀溶液按照1：4混合，得到混合溶液；
43.s04.将混合溶液倒入模具，静置12h，得到水凝胶材料；
44.s05.将水凝胶材料放入步骤一的电解液中浸泡2h，得到水凝胶电解质。
45.参阅图3，本实施例还提供了一种二次锌离子电池，包括正极片3、负极片2、上述的水凝胶电解质1，水凝胶电解质1设于正极片3和负极片2之间，正极片3由集流体和无机材料组成，集流体为钛箔，无机材料占正极片总质量的10～30％，无机材料由导电剂sp、活性材料α-mno2、粘结剂pvdf按2：7：1的比例混合溶解在nmp中形成，无机材料涂覆在钛箔表面并在120℃真空环境下干燥12h即可得到正极片3，正极片3和负极片2的表面均用pdms层4封装。
46.实施例2
47.本实施例提供了一种短肽自组装超分子水凝胶电解质，该水凝胶电解质由以下成分组成：fmoc-ff、七水合硫酸锌、去离子水、pegda-700。
48.本实施例提供了一种上述短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法，包括以下几个步骤：
49.s01.称取8.63g七水合硫酸锌，将其加入到30ml去离子水中，搅拌均匀，充分溶解后，静置12h，得到电解液；
50.s02.向上述电解液中加入占水凝胶电解总质量的15％的pegda-700，加热搅拌30min，得到均匀溶液；
51.s03.将250mgfmoc-ff溶解于5ml乙醇溶液中，在80℃水浴中加热2h，得到短肽母液，将短肽母液与s02步骤得到的均匀溶液按照1：4混合，得到混合溶液；
52.s04.将混合溶液倒入模具，静置12h，得到水凝胶材料；
53.s05.将水凝胶材料放入步骤一的电解液中浸泡2h，得到水凝胶电解质。
54.实施例3
55.本实施例提供了一种短肽自组装超分子水凝胶电解质，该水凝胶电解质由以下成分组成：fmoc-ff、七水合硫酸锌、去离子水、pegda-700。
56.本实施例提供了一种上述短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法，包括以下几个步骤：
57.s01.称取17.5g七水合硫酸锌，将其加入到30ml去离子水中，搅拌均匀，充分溶解后，静置12h，得到电解液；
58.s02.向上述电解液中加入占水凝胶电解总质量的15％的pegda-700，加热搅拌30min，得到均匀溶液；
59.s03.将250mgfmoc-ff溶解于5ml乙醇溶液中，在80℃水浴中加热2h，得到短肽母液，将短肽母液与s02步骤得到的均匀溶液按照1：2混合，得到混合溶液；
60.s04.将混合溶液倒入模具，静置12h，得到水凝胶材料；
61.s05.将水凝胶材料放入步骤一的电解液中浸泡2h，得到水凝胶电解质。
62.实施例4
63.本实施例提供了一种短肽自组装超分子水凝胶电解质，该水凝胶电解质由以下成分组成：fmoc-ff、七水合硫酸锌、去离子水、pegda-700。
64.本实施例提供了一种上述短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法，包括以下几个步骤：
65.s01.称取17.5g七水合硫酸锌，将其加入到30ml去离子水中，搅拌均匀，充分溶解后，静置12h，得到电解液；
66.s02.向上述电解液中加入占水凝胶电解总质量的5％的pegda-700，加热搅拌30min，得到均匀溶液；
67.s03.将250mgfmoc-ff溶解于5ml乙醇溶液中，在80℃水浴中加热2h，得到短肽母液，将短肽母液与s02步骤得到的均匀溶液按照1：4混合，得到混合溶液；
68.s04.将混合溶液倒入模具，静置12h，得到水凝胶材料；
69.s05.将水凝胶材料放入步骤一的电解液中浸泡2h，得到水凝胶电解质。
70.实施例5
71.本实施例提供了一种短肽自组装超分子水凝胶电解质，该水凝胶电解质由以下成分组成：fmoc-ff、丝素蛋白、七水合硫酸锌、去离子水。
72.本实施例提供了一种上述短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法，包括以下几个步骤：
73.s01.称取17.5g七水合硫酸锌，将其加入到30ml去离子水中，搅拌均匀，充分溶解后，静置12h，得到电解液；
74.s02.向上述电解液中加入占水凝胶电解总质量的5％的pegda-700，加热搅拌30min，得到均匀溶液；
75.s03.将250mgfmoc-ff溶解于5ml乙醇溶液中，在80℃水浴中加热2h，得到短肽母液，将短肽母液与s02步骤得到的均匀溶液按照1：4混合，得到混合溶液；
76.s04.将混合溶液倒入模具，静置12h，得到水凝胶材料；
77.s05.将水凝胶材料放入步骤一的电解液中浸泡2h，得到水凝胶电解质。
78.一、关于水凝胶材料的性能测试
79.取等量按实施例1至实施例5中短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法的前四步步骤制得的水凝胶材料，分别采用mcr302型旋转流变仪测试水凝胶材料的质储能模量和耗散模量，具体检测结果如图7所示。
80.取按实施例1中短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法的前四步步骤制得的水凝胶材料(实物如图2所示)，制作成扫描电镜样本并置于扫描电镜下观察，得到相应的sem图(如图1所示)。
81.二、关于短肽自组装超分子水凝胶电解质的性能测试
82.取等量按实施例1至实施例5中短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法制得的水凝胶电解质，分别采用辰华chi660e电化学工作站测试eis交流阻抗得到短肽自组装超分子水凝胶电解质阻抗和水凝胶电池的内阻，测量短肽自组装超分子水凝胶电解质的厚度和面积，计算得到离子电导率，水凝胶电解质电导率测试结果如图4和图5所示，水凝胶电解
质的阻抗测试结果如图6所示。
83.三、关于二次锌离子电池的电池循环性能测试
84.将实施例1中的二次锌离子电池进行电池循环性能测试，具体测试结果如图8所示。
85.上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种短肽自组装超分子水凝胶电解质，其特征在于：所述水凝胶电解质包括短肽材料、离子导体、机械性能调控材料，所述离子导体包括znso4、zncl2、zn(cf3so3)2中的至少一种，所述机械性能调控材料包括明胶、丝素蛋白、pegda中的至少一种。2.如权利要求1所述的短肽自组装超分子水凝胶电解质，其特征在于：所述短肽材料包括短肽或短肽衍生物。3.如权利要求1所述的短肽自组装超分子水凝胶电解质，其特征在于：所述短肽材料、机械性能调控材料、离子导体分别占所述短肽自组装超分子水凝胶电解质总质量的(10～30％)、(5～20％)、(5～20％)。4.如权利要求1所述的短肽自组装超分子水凝胶电解质，其特征在于：所述水凝胶电解质还包括去离子水、碳酸钙、交联剂中的至少一种。5.一种短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤：将离子导体溶解到去离子水中，得到电解液；将机械性能调控材料溶解到电解液中得到均匀溶液；将短肽材料溶解到溶剂中，之后加入上述均匀溶液中，得到混合溶液；将混合溶液导入模具中，静置得到水凝胶材料；将水凝胶材料放入所述电解液中浸泡得到水凝胶电解质。6.如权利要求5所述的短肽自组装超分子水凝胶电解质的制备方法，其特征在于：所述溶剂为乙醇溶液。7.一种二次锌离子电池，其特征在于：所述二次锌离子电池包括正极片、负极片、权利要求1至6中任一项所述水凝胶电解质，所述水凝胶电解质设于正极片和负极片之间。8.如权利要求7所述的二次锌离子电池，其特征在于：所述正极片由集流体和无机材料组成，所述无机材料涂覆在集流体表面，所述无机材料占正极片总质量的10～30％。9.如权利要求8所述的二次锌离子电池，其特征在于：所述集流体包括锌箔、钛箔、铜箔、碳纳米纸中的至少一种，所述无机材料包括mno2、v2o5、普鲁士蓝类似物中的至少一种。10.如权利要求7所述的二次锌离子电池，其特征在于：所述正极片和负极片的表面均用pdms封装。

技术总结
本发明公开了一种短肽自组装超分子水凝胶电解质及其制备方法、以及二次锌离子电池，水凝胶电解质包括短肽材料、离子导体、机械性能调控材料，离子导体包括ZnSO4、ZnCl2、Zn(CF3SO3)2中的至少一种，机械性能调控材料包括明胶、丝素蛋白、PEGDA中的至少一种，制备时包括以下几个步骤：将离子导体溶解到去离子水中，得到电解液；将机械性能调控材料溶解到电解液中得到均匀溶液；将短肽材料溶解到溶剂中，之后加入上述均匀溶液中，得到混合溶液；将混合溶液导入模具中，静置得到水凝胶材料；将水凝胶材料放入所述电解液中浸泡得到短肽自组装超分子水凝胶电解质，水凝胶电解质具有较好的柔性和机械性能，制备工艺简单、成本低、在柔性电子设备供电方面有广泛应用前景。柔性电子设备供电方面有广泛应用前景。柔性电子设备供电方面有广泛应用前景。


技术研发人员：陶凯 曾然 马康
受保护的技术使用者：浙江大学杭州国际科创中心
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/9