[發明專利]一種基于多組分共凝膠劑的準固態電解質及其制備方法與其應用

在審

• 申請號: 201810939725.5
• 申請日: 2018-08-17
• 公開（公告）號: CN109192517A
• 公開（公告）日: 2019-01-11
• 發明（設計）人: 霍志鵬;易錦馨;桃李;王露
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/025;H01G9/028
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

本發明公開了一種基于多組分共凝膠劑的準固態電解質及其制備方法與其應用，該凝膠電解質是使用兩種或多種特定結構的有機小分子化合物或添加劑構成超分子網絡結構使電解質體系膠凝化得到的。這種準固態電解質與普通凝膠電解質以及液態電解質相比，在解決液態電解質電池難密封和易漏液的問題和提高電池的長期穩定性的同時，可獲得較高的光電轉換效率，從而有效改善了電池的性能，應用于染料敏化太陽電池和量子點太陽電池中，能夠有效提高太陽電池的穩定性。

技術領域

本發明屬于化學、化工、材料及物理技術的交叉領域，具體涉及一種基于多組分共凝膠劑的準固態電解質及其制備方法與其應用。

背景技術

隨著不可再生能源的日益枯竭與能源消耗的持續增加，發展新能源及新能源材料是人類面臨的重大課題。太陽能以其綠色、安全、長壽以及資源相對廣泛和充足的優點，被認為是最重要的新能源之一。

1991年瑞士洛桑高工（EPFL）Gr?tzel領導的研究小組，利用聯吡啶釕(Ⅱ)配合物染料和納米多孔二氧化鈦（TiO2）薄膜制備了染料敏化太陽電池（DSC），并且獲得了7.1%的光電轉換效率（Oregan, B.; Gr?tzel, M., et al. Nature, 1991, 353: 737）。這一突破性研究進展為太陽電池的發展和應用樹立了一座里程碑。

典型的DSC是由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、陰極材料和導電基底構成的，其中電解質作為其重要組成部分，對電池的效率和穩定性等有著重要的影響作用。液態電解質因其具有擴散速率快、良好的浸潤性、成分易設計和調節、光電轉換效率高等特點而被廣泛應用。2011年，Gr?tzel小組又將DSC的研究工作向前推進了一步，獲得了光電轉換效率為12.3%的液態電解質DSC（Yella A., Zakeeruddin S. M., Gr?tzelM., et al. Science, 2011, 334: 629）。雖然利用液態電解質可以獲得較高的光電轉換效率，但仍舊存在一些不可避免的問題，即容易導致TiO2的表面吸附的染料脫落。同時，液態電解質自身不穩定易發生變化，且有機溶劑易揮發，造成電池封裝困難，降低了電池的穩定性，限制了DSC的商業化應用。

為了解決DSC的封裝和泄漏問題，提高電池的穩定性，準固態電解質應運而生。準固態電解質是指在液態電解質中添加膠凝劑分子，并在一定條件下通過物理相互作用或者通過化學反應交聯，形成空間網絡結構，液態電解質作為分散介質填充在該網絡結構中，使得準固態電解質表觀呈固態。準固態電解質的機械強度和力學性能介于液態和固態電解質之間，導電機理與液態電解質相同，因此具有良好的電化學性能。目前用來凝膠化液態電解質的膠凝劑主要包括有機聚合物膠凝劑、無機納米顆粒、有機小分子膠凝劑，以及多組分共凝膠劑。

凝膠通常是指由凝膠劑在特定溶劑中，通過非共價鍵進行自組裝形成的凝膠。這些相互作用使得凝膠具有良好的本征穩定性，同時，非共價鍵的可逆性又使得凝膠對外部環境的變化較為敏感，例如熱可逆性，即在加熱到相轉變溫度（Tgel）時，凝膠會轉變為液體，當冷卻到Tgel以下，液體又逐漸轉變為固體，在此過程中，凝膠的機械性能等也會隨之發生變化。因此，凝膠在生物材料、傳感器、主體-受體材料、液晶材料以及無機和有機模板材料等方面受到了廣泛的關注。相對于其他凝膠材料，按照溶劑的不同，凝膠可以分為基于有機溶劑的有機凝膠和基于水的水凝膠。在基于多組分共凝膠劑的凝膠體系中，可以通過改變不同組分的含量來調節凝膠的微觀網絡形貌和性能。目前，大部分的研究都集中在兩組分的凝膠體系，這種體系可分為以下三類：兩種膠凝劑必須配合使用才能使溶劑膠凝化；兩種膠凝劑單獨使用或配合使用均可以使溶劑膠凝化；一種是膠凝劑，而另一種是作為添加劑使用的(Buerkle L. E., Rowan S. J. Chem. Soc. Rev, 2012, 41: 6089)。