双交联水凝胶在储能系统中的应用

作     者：马紫雯 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛兵;刘大锐

授予年度：2024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：地开石 双丙酮丙烯酰胺 Mxene 水凝胶 水系锌离子电池 超级电容器 

摘      要：柔性可穿戴设备的发展对柔性锌离子电池使用的水凝胶电解质机械性能和电化学性能提出了更高的要求。为提高水凝胶的机械性能,本文制备了由共价交联聚丙烯酰胺（PAM）、双丙酮丙烯酰胺（DAAM）以及膨胀地开石（D-OH）组成的复合水凝胶。研究结果表明,PAM和DAAM能够通过氢键键合和分子链缠绕的方式形成双交联网络结构,提升水凝胶的力学性能。此外,天然层状硅酸盐矿物地开石表面具有大量的-OH和Si-O基团能够与PAM和DAAM同时形成氢键键合,起到无机交联剂的作用。经过片层膨胀处理后,地开石的片层得以充分暴露,增加比表面积,进一步提升地开石的物理交联效果。力学测试结果显示,使用6 wt%DAAM和1 wt%膨胀地开石强化的P-D6-DOH1水凝胶,其拉伸强度可达0.374 MPa,断裂伸长率为2100%,形变75%的抗压强度为0.308 MPa。P-D6-DOH1水凝胶具有较高的离子电导率(28.3 m S cm-1),归因于膨胀地开石带有负电,能够富集Zn2+,并在电场作用下形成Zn2+传输的快速通道。P-D6-DOH1水凝胶还具有稳定锌阳极表面、抑制锌枝晶生长和副产物产生的作用。在电流密度150 m A g-1时,使用P-D6-DOH1水凝胶电解质组装的Mn O2//Zn电池能够稳定运行700 h。同时,该电池在60 m A g-1下能够提供270 m Ah g-1的放电比容量,即使在600 m A g-1下仍拥有115 m Ah g-1的可逆容量,具有优异的电化学性能。此外,组装的柔性电池能够在弯曲、锤击、刺穿等物理破坏时继续保存工作。 本文还将MXene改性的膨胀地开石作为无机填料加入水凝胶中,通过填料丰富的羟基以及氢键作用使复合水凝胶内部网络结构稳定,在PAM基体中添加2 wt%MXene改性膨胀地开石制备的P-MDOH2水凝胶的抗压强度为64 k Pa（75%形变）,在多次循环压缩测试中性能稳定,能够应对切割、穿刺以及拉伸等破坏性实验。P-MDOH2水凝胶电解质的离子电导率为15.6 m S cm-1,玻璃化转变温度为109.1~oC。使用P-MDOH2水凝胶电解质组装的超级电容器在1 A g-1的电流密度下,其质量比电容可达165 F g-1,4 A g-1的质量比电容为146 F g-1,容量保持率达到84.57%。在1 A g-1的电流密度下进行10000次恒电流充放电,其容量保持率为94.63%,具有出色的循环性能。此外该器件可承受弯曲、穿刺以及重物负载而保持正常使用。