天然高分子基凝胶电解质设计、制备及其在新能源器件中的应用研究

作     者：朱安泰 

作者单位：贵州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐芹芹

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：凝胶电解质 天然高分子 超级电容器 柔性电子 

摘      要：凝胶聚合物电解质是由液体电解质和聚合物基体构成,兼具液体电解质的特性和固态聚合物骨架机械特征的一种准固态电解质。采用凝胶聚合物电解质不但克服了液体电解质易泄露、难封装等缺点,且具有液体电解质的高离子电导率和固体电解质良好的自支撑性能。可实现新能源器件的轻量化、多样化和安全高性能。但是,目前凝胶聚合电解质多数以难降解、成本高的合成高分子为基体材料。从经济和环境的角度考虑,以天然高分子材料为凝胶聚合物电解质骨架的研究发展迫在眉睫。本文旨在研究开发资源丰富、价格低廉、易降解的纤维素、明胶、玉米秸秆(木质纤维素)等天然高分子作为凝胶聚合物电解质的骨架。以超级电容器为应用模型,研究凝胶电解质的构筑策略,阐明材料的物理、化学结构与电化学性能之间的关联性,建立天然高分子基凝胶电解质的可控制备新技术。具体研究内容如下:(1)基于新发展的有机碱/CO/DMSO体系溶解纤维素,通过加入丁二酸酐(SA)、环氧氯丙烷和聚乙烯醇的原位衍生、化学交联和复合的“一体化策略,制备了纤维素基质子型离子凝胶电解质。其中,有机碱既起到溶解活化纤维素的作用,又在纤维素与SA的酯化反应中充当原位催化剂,极大地提高了反应效率。此外,在纤维素原有结构上引入功能性质子型离子液体基团(有机碱阳离子),给予纤维素基凝胶电解质较高的离子率。DMSO既可以作为溶解纤维素的溶剂,又可在凝胶电解质中作为离子运输的载体。所制备的离子凝胶电解质在室温下离子电导率可达4.2 m S/cm。具有良好的温度适应性,可在较宽的温度范围内工作。使用活性炭做电极组装的超级电容器,功率密度为17.38 Wh/Kg,以及优异循环性能。通过生物基聚合物基体上接枝离子基团来制备凝胶电解质不会影响其电荷的转移效率,同时也证明通过在生物基聚合物上接枝离子集团的策略具有巨大潜力。(2)采用含有大量氨基、羧基、羟基等活性官能团的天然高分子聚合物——明胶基体,通过氯化胆碱和多元醇配制低共熔溶解体系(DES)溶解明胶,将体系中的多元醇原位氧化为醛,通过席夫碱反应和引入高价离子(Fe),设计制备了一种具有良好自修复性能的新型化学和物理双交联型DES凝胶电解质。DES原位封装于聚合物网络结构中作为离子导体。所制备的DES凝胶电解质在的较宽温度范围内(-40-80°C)具有高达10～10 m S/cm的离子电导率。将该DES凝胶聚合物电解质应用于超级电容器和柔性传感器,表现出良好的电化学性能。所制备的明胶基DES凝胶电解质具有良好的机械性能、自修复性能、高离子电导率和良好的温度适应性,在下一代高性能电化学器件中表现出巨大的应用价值。(3)秸秆是地球上储量最大的天然高分子资源,政府连续出台多项政策以提高秸秆资源的利用率,从而治理农业废弃物带来的环境污染问题。本工作是基于工作(1)的构筑策略,首次研究开发废弃玉米秸秆作为聚合物骨架,采用CO/DMSO/有机碱体系溶解玉米秸秆,通过丁二酸酐衍生化并接枝有机碱阳离子,之后与PVA复合,成功构建了玉米秸秆接枝离子基团的复合凝胶电解质。所制备的离子凝胶电解质在室温下离子电导率可达2.78 m S/cm。具有良好的温度适应性,以及可在严格的机械条件下稳定工作。所组装的超级电容器,能量密度为16.05 Wh/Kg。对促进秸秆的资源化、高值化利用以及绿色发展具有重大意义。