Page 172 - 《精细化工》2022年第11期
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·2322·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 39 卷

                 随着柔性电子设备的快速发展，迫切需要与其                          1   实验部分
            匹配的柔性能源产品。铝的能量密度为 8.2 W·h/g,
            高于锂、镁、锌等阳极材料，且其理论比容量高达                             1.1   试剂与仪器
                                                   [1]
            2978 mA·h/g，仅次于锂（4209.7 mA·h/g） ，这些                    BC 分散液（质量分数 0.8%），桂林奇宏科技有
            都说明铝是优异的空气电池阳极材料。柔性铝空气                             限公司；PVA（型号 1750），AR，上海源叶生物科
            电池具有质量轻、能量密度高、价格低廉、制造工                             技有限公司；KOH（GR）、MnO 2 （AR），上海麦
            艺简单和便于回收利用等优点，在便携式电源领域                             克林生化科技有限公司；乙炔炭黑，AR，天津晶
            发展前景广阔       [2-5] 。                               林新材料科技有限公司；bcnf-16m 型泡沫镍（质
                 固态凝胶电解质作为柔性铝空气电池的重要组                          量分数 99.9%），合肥科晶材料技术有限公司。
            成部分，在电池正负极间起着传输离子的作用                      [6-8] 。      CCT-3320  型实验室专用超纯水机，成都市沃
            由于聚乙烯醇（PVA）分子链含有丰富的羟基，具                            特尔水处理设备有限公司；LGJ-10 型真空冷冻干
            有较好的亲水性，所以现有固态电解质多为 PVA 基                          燥机 ，北 京松 原华 兴科 技发 展有 限公 司；
            凝胶电解质      [9-11] 。但 PVA 基凝胶电解质交联程度较               KQ3200DE 型数控超声波清洗器，常州詹创环保科
            低、分子链之间作用力较小，凝胶过程中形成的交                             技有限公司；RST5200F 型电化学工作站，巩义市
            联网络结构孔隙率较大           [12] ，存在微观缺陷。由于 PVA           科瑞仪器有限公司；Bruker D8 型 X 射线衍射仪，
            基凝胶电解质力学性能较差，在拉伸过程中极易破                             德国 Bruker 公司；Regulus8230 型超高分辨率扫描
            裂，难以满足柔性铝空气电池的“柔性”使用需求。                            电子显微镜，日本株式会社日立制作所；DSA30S
            因此，为了进一步提升铝空气电池商业化进程，亟                             接触角测量仪，德国 Kruss 公司；WDW 型微机控
            需提升 PVA 基电解质的拉伸特性。将细菌纤维素                           制电子万能试验机，上海华龙测试仪器有限公司；
            （BC）添加到 PVA 交联网络中可以改善 PVA 基凝                       CT2001A 型蓝电电池测试系统，武汉市蓝电电子股
            胶电解质的大孔隙网格结构             [13] ，从而提升凝胶电解            份有限公司；A30T 型 3D 打印设备，深圳市捷泰技
            质的吸液率与抗拉伸性能。ZHANG 等                 [14] 基于简易      术有限公司。
            浸泡法制备了 BC 凝胶电解质，其拉伸强度为                             1.2   制备方法
                                        –2
            2.1 MPa，离子电导率为 5.4×10 S/cm，工艺简单且                   1.2.1   超拉伸凝胶电解质的制备
            适用于大规模生产，但由于 BC 团聚严重，其断裂                               超拉伸凝胶电解质的制备流程图如图 1a 所示。
            伸长率仅为 57%。ZHAO 等        [15] 采用原位法制备了 BC               根据文献[15]制备电解质前驱体。将 0.4、0.6、
                                                                                                       –4
            凝胶电解质，其拉伸强度为 0.95 MPa，离子电导率                        0.7 和 0.8 mL BC 分散液分别与 1 g（5.71×10 mol）
            为 8.08×10 –2  S/cm，断裂伸长率为 443%。原位法比                PVA 混合后加入 8 mL 纯水（由实验室专用超纯水机
            简易浸泡法缓解了 BC 在凝胶电解质中的团聚现象，                          制得，离子电导率为 0.2  μS/cm），BC 与 PVA 的质量
            提升了 BC 凝胶电解质的抗拉伸性能和电化学性能。                          比分别为 0.0032∶1、0.0048∶1、0.0056∶1 和 0.0064∶
            但通过上述两种方法制备的 BC 凝胶电解质孔隙率                           1，在 95 ℃油浴条件下搅拌至澄清透明（200 r/min）
            与吸液率较低。AREIR 等            [16] 利用熔融沉积成型            得到溶液 A；然后缓慢滴加 2 mL 18 mol/L 的 KOH 溶
            （FDM）打印技术成功制备了 PVA 基凝胶电解质，                         液，继续搅拌至澄清，再超声振荡 5 min 去除气泡，
            其厚度可以控制在 0.4 mm 左右，但由于此凝胶电解                        得到电解质前驱体。
            质的拉伸性能较差，导致其无法得到广泛应用。因                                 3D 打印过程如图 1b 所示。
            此，制备孔隙率均匀、高离子电导率与强抗拉伸性                                 电解质前驱体通过多层叠加打印在基体上，3D
            能的 BC 凝胶电解质至关重要。                                   打印温度为 55  ℃，喷嘴直径为 0.25 mm，喷嘴移动
                 基于此，本文创新性地提出采用 3D 打印方法                        速率 8 mm/s，前驱体墨水流量为 0.2 mL/min，通过
            来制备超拉伸凝胶电解质，采用 FDM 打印技术通过                          调节打印参数保证打印的线宽与厚度均匀一致。再
            加热打印喷嘴，以延缓叠加打印时前驱体墨水的凝                             将打印好的凝胶电解质放入预冷为–65  ℃的冷冻
            胶化过程，控制 3D 打印参数来提升凝胶电解质的                           干燥机中，冷冻干燥 12 h 后在室温下解冻 1 h，重
            孔隙率，调节 BC 含量来改善凝胶电解质的性能。                           复 2 次上述操作后，室温放置 3 h 得到超拉伸凝胶
            通过微机控制电子万能试验机、电化学工作站和蓝                             电解质。将 BC 与 PVA 质量比为 0.0032∶1、
            电电池测试系统探究 BC 含量对凝胶电解质拉伸性                           0.0048∶1、0.0056∶1 和 0.0064∶1 制得的凝胶电
            能和离子电导率的影响，以改善传统方法制备凝胶                             解质分别命名为 BCs-PVA1、BC-PVA2、BC-PVA3
            电解质的缺陷，提升其综合性能。                                    和 BC-PVA4。
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