[發明專利]一種水凝膠電解質薄膜及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 201510589815.2
• 申請日: 2015-09-16
• 公開（公告）號: CN105161315A
• 公開（公告）日: 2015-12-16
• 發明（設計）人: 王凱;張熊;孫現眾;馬衍偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H01G11/56
• 分類號: H01G11/56;H01G11/84
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種電解質薄膜及其制備方法和用途。

背景技術

電化學儲能器件(如超級電容器、鋰離子電池等)的性能主要決定于電極材料和電解質。當前柔性超級電容器的研究主要關注于獲得高性能的柔性電極，比如基于碳納米材料(碳布、碳納米管、石墨烯等)制備的各種自支撐柔性薄膜電極或者柔性基底負載的薄膜電極以及相關復合材料。但是，電解質同樣是決定電化學器件性能的一個關鍵因素。尤其在柔性超級電容器中，電解質的性能將直接影響器件的電化學儲能性能和其力學柔性性能。按照存在形態，電解質分為液態電解質和固態電解質，其中液態電解質又分為有機電解液(鹽溶于有機溶劑得到)和水系電解液(酸、堿、鹽溶于水中得到)。由于有機電解液存在污染性、揮發性和毒性，因此在柔性超級電容器中采用的液態電解質一般為水系電解液。此外，由于固態電解質可以有效避免使用過程的漏液問題，且易于封裝，因此在柔性器件中廣泛使用的是固態電解質。通常固態電解質分為純固態電解質和凝膠態電解質。凝膠態電解質主要是由高分子骨架、導電離子和液體媒介(有機溶劑或水)構成。在柔性超級電容器中一般采用的是水系凝膠態電解質，即水系凝膠聚合物電解質。常用的高分子骨架有聚乙烯醇(poly(vinylalcohol)，PVA)，聚丙烯酸(poly(acrylate)，PAA),_ENREF_55聚氧乙烯(poly(ethyleneoxide)，PEO)_ENREF_56,_ENREF_57聚偏氟乙烯(_ENREF_55poly(vinylidenefluoride)，PVdF)等，而導電離子為常見酸、堿或鹽。目前在國內外在柔性超級電容器研究中最常用的一個體系基于PVA的聚合物水凝膠(polymergel)電解質，比如PVA-H₂SO₄(或H₃PO₄、HCl、HClO₄、KOH、NaOH、Na₂SO₄、NaCl、Li₂SO₄、LiCl)聚合物水凝膠電解質。但是，當前柔性超級電容器研究中使用的該體系只是PVA和H₂SO₄水溶液(或其他酸、堿、鹽)的混合物，并未形成凝膠。盡管可以通過放置于空氣中，在常溫(或低溫加熱)下揮發掉大量的水來形成物理凝膠薄膜，但是這樣的凝膠薄膜無法同時兼顧高含水量和高力學強度，難以形成自支撐凝膠電解質薄膜，這對于柔性超級電容器尤其重要。

但是，如何獲得這樣的高性能高強度水凝膠電解質自支撐薄膜目前尚未報道。在當前的柔性超級電容器研究中，為了兼顧高含水量和高力學性能。通常是把PVA與電解質溶液的混合溶液，吸附于隔膜材料上形成隔膜負載的電解質。但是該方法增加了器件的內阻，同時也在一定程度上增加了整個器件的惰性質量含量。因此，開發自支撐的高性能水凝膠電解質薄膜是制約柔性超級電容器以及其他柔性電化學儲能器件(如柔性水系鋰離子電池等)開發的一個關鍵方面。

發明內容

為了克服現有物理水凝膠電解質難以兼顧高含水量和優異力學性能的缺點，本發明提出一種工藝簡單、成本低廉的化學交聯的自支撐水凝膠電解質薄膜及其制備方法和用途。

本發明水凝膠電解質薄膜為化學交聯的自支撐薄膜水凝膠電解質薄膜，含有高分子基體和電解質水溶液。其中，所述高分子基體通過化學交聯相互連接，形成空間網狀結構，所述的電解質水溶液填充在所述的空間網絡結構的空隙中。

本發明水凝膠電解質薄膜的厚度為10微米-5毫米。

優選的，所述水凝膠電解質薄膜的厚度為200微米-2毫米。

以所述水凝膠電解質薄膜的總量為基準，所述高分子基體的含量為水凝膠電解質薄膜總量的2-90重量百分比。

優選的，以所述水凝膠電解質薄膜的總量為基準，所述高分子基體的含量為水凝膠電解質薄膜總量的2-20重量百分比。

所述高分子基體可以是聚乙烯醇或者明膠中的一種或者兩種。

所述的電解質水溶液為酸性電解質水溶液或者鹽類電解質水溶液。所述酸性電解質水溶液是硫酸、磷酸、鹽酸、高氯酸水溶液中的一種或多種。所述鹽類電解質水溶液是氯化鉀、氯化鋰、氯化鈉、硫酸鉀、硫酸鋰、硫酸鈉水溶液中的一種。

本發明水凝膠電解質薄膜采用化學交聯-澆鑄成膜法制備，所述化學交聯-澆鑄成膜法是：