摘 要

随着二次电池的广泛利用，有机电解液被越来越广泛地用于其电解液。无水有机电解液的电化学窗口虽然比较大，还有着比较高的能量密度。但是，其缺点也让更多人来致力于开发新的电解液体系。有机电解液往往对人体有害而且溶液导致燃烧，这会在电池使用过程中导致很大的安全隐患。而且有机体系的电池制作需要在无水的条件下，这会导致电池制作成本的提高，这些种种缺陷极大地制约了有机电解液在大型储能领域地进一步发展。

如今锂离子电池以及钠离子电池体系逐渐成熟，被大量地应用于储能领域，但是锂、钠离子较为活泼的化学性质以及较低的安全性质，导致我们不得不寻求更好的研究对象。这时候二次锌离子电池由于其安全、廉价、环保的特性，进入了广大科研人士的视野，其优良的性能让锌离子电池有一定潜力来替代锂离子电池以及钠离子电池的地位。

锌离子电池拥有许多专属的优点：（1)地球上拥有丰富的锌资源，且其价格便宜，加工成本低；（2)锌元素对人体无毒，性能稳定，生物亲和性高；（3)锌金属于在含有氧气或者潮湿环境中能够稳定存在，制作成本低，且可使用水系电解质，使用安全性颇高；（4)锌离子电池可以达到比较高的能量密度。

本实验通过使用Pluronic F127作为原材料，采用简单的溶剂挥发法来制备其水凝胶电解质，并通过锌/PluronicF127水凝胶/MnO₂体系评价该凝胶电解质的性能，，测试其物化性能，并通过组装锌离子纽扣电池来评估它的电化学特性。

关键词：pluronic；水凝胶电解质；锌离子电池

Study on electrochemical properties of Pluronic F127 Hydrogel

Abstract

With the widespread use of secondary batteries, organic electrolytes are increasingly used for their electrolytes. Although the electrochemical window of the anhydrous organic electrolyte is relatively large, there is a relatively high energy density. However, its shortcomings have also led more people to develop new electrolyte systems. Organic electrolytes are often harmful to humans and solutions cause burning, which can cause significant safety hazards during battery use. Moreover, the battery production of the organic system needs to be under anhydrous conditions, which leads to an increase in the cost of manufacturing the battery, and these various defects greatly restrict the further development of the organic electrolyte in the field of large-scale energy storage.

Nowadays, lithium-ion batteries and sodium-ion battery systems have gradually matured and are widely used in the field of energy storage. However, the relatively active chemical properties and low safety properties of lithium and sodium ions have led us to seek better research objects. At this time, the secondary zinc ion battery has entered the field of scientific research because of its safety, low cost and environmental protection characteristics. Its excellent performance makes the zinc ion battery have a certain potential to replace the status of lithium ion battery and sodium ion battery.

Zinc-ion batteries have many exclusive advantages: (1) The earth has abundant zinc resources, and its price is low, and the processing cost is low; (2) Zinc is non-toxic to the human body, stable in performance and high in bio-affinity; Zinc metal can be stably present in an environment containing oxygen or moisture, has low production cost, and can use water-based electrolyte, and has high safety; (4) Zinc-ion battery can achieve relatively high energy density.

In this experiment, the hydrogel electrolyte was prepared by using a simple solvent evaporation method using Pluronic F127 as a raw material, and the performance of the gel electrolyte was evaluated by a zinc/Pluronic F127 hydrogel/MnO2 system, and its physicochemical properties were tested and passed. A zinc ion button cell was assembled to evaluate its electrochemical properties

Key words: pluronic; hydrogel electrolyte; zinc ion

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锌离子电池概述 2

1.2.1 锌离子电池发展历程 2

1.2.2 锌离子电池工作原理 2

1.2.3 锌离子电池负极材料 3

1.2.4 锌离子电池正极材料 3

1.3 锌离子电池电解质 4

1.4 凝胶电解质的制备方法 4

1.4.1 热诱导相分离法 4

1.4.2 溶剂挥发法 5

1.4.3 浸没沉淀法 5

1.5 本论文的研究目的和主要内容 5

1.5.1 研究目的 5

1.5.2 研究内容 6

第二章 实验材料和研究方法 7

2.1 实验药品与设备 7

2.2 pluronic F127水凝胶的物理性能表征 7

2.2.1 X 射线衍射分析 7

2.2.2 形貌表征 8

2.2.3 吸液率与孔隙率表征^{[25, 26]} 8

2.2.4 机械强度表征 9

2.2.5 热稳定性表征^[27] 9

2.3 电化学性能测试 9

2.3.1 离子电导率测试^[29] 9

2.3.2 线性扫描伏安测试^[30] 10

2.3.3 迁移数测试^[31] 10

2.3.4 循环伏安测试^{[33, 34]} 10

2.3.5 恒流充放电测试^[35] 10

第三章 制备pluronic F127凝胶电解质 11

3.1 引言 11

3.2 pluronic F127凝胶电解质制备 11

3.3 物理性能表征 12

3.3.1 表面微观形 12

3.3.2 吸液率和孔隙率 13

3.3.3 力学性能 13

3.3.4 热稳定性 14

3.3.5 热收缩性 15

3.4 电化学性能表征 16

3.4.1 离子电导率 16

3.4.2 迁移数 17

3.4.3 电化学窗口 17

3.4.4 循环伏安曲线 18

3.4.5 循环性能 19

3.5 本章小结 20

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

绪论

引言

随着人类文明的进步，对能源的依赖不断地提高^[1]。目前化石燃料消耗不断提高，占全球能源消耗也在不断上升^[2]。然而随着化石燃料的不断地消耗，对地球造成了很难逆转的负面影响。如环境的破坏和温室效应（如图1-1）。而随着全球经济的发展进一步加剧了能源的消耗，然而人们的逐渐觉醒的环保意识却要求我们减少对化石燃料的依赖，危机就在眼前。

图1-1 近一个世纪全球气温变化

人类对能源的利用说到底还是对能源的转化，尤其在当下，虽然我们已经可以将太阳能、风能、潮汐能以及地热能等转变为电能并且储备起来，但是这些能源很不稳定，收到诸多因素的影响，很多无法直接接入我们的日常生活里，难以直接利用。因此，我们需要通过成熟的储能装置将这些不稳定的能量储备起来，这时候。电化学储能体系进入人们视野。

锂离子电池由于拥有比较高的能量密度，较高的开路电压，支持大功率输出，比较弱的自放电以及无记忆效应等特点，是储能装置的首选^{[3, 4]}。然而，主流锂离子电池采用有机电解液，有机溶剂通常对生物有害且易燃,，其生产成本比较高，安全性差及对环境影响的关键问题不容忽视，这阻碍了其进一步发展的空间。因此锌离子电池进入了人们的视野，在此有着不可忽略的优势。

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