[发明专利]一种纳米复合聚合物电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合聚合物电解质及其制备方法，属于能源材料中超级电容器用电解质的技术领域。

背景技术

电容器是一种电能储存器件，但一般电容器的电容量非常低。电容量的国际标准(SI制)单位为法拉第(F)，1F相当于在1伏特(V)的内部电势差下能够储存1库仑(C)的电量，但是一般电容器容量处于μF(10^-6F)或pF(10^-12F)数量级，这对于储能来说效率远远不够。而超级电容器(Supercapacitor)的电容量直接使用F作为单位衡量，因此超级电容器具有可与电池相比拟的储能能力。

双电层型超级电容器(Electric Double-Layer Capacitor，EDLC)由两块极板和极板间的电解质以及隔膜(固态电解质则不需要隔膜)组成。其中电解质在超级电容器储能与内部电流传导中起关键性作用，高分解电压、高电导率、高机械稳定性以及能够更好浸润电极表面的电解质是超级电容器研发人员寻求的目标。最初使用的电解质一般为液态，为了提高电解质的电压窗口，液态电解质一般使用有机溶剂溶解离子化合物，这些溶剂大多易燃且有毒性，并且液态物质易发生泄漏，严重影响超级电容器的安全性。因此，使用安全且易加工的固态电解质取代液态电解质，是超级电容器的发展趋势。

聚合物电解质是一类固态或凝胶态电解质，其制备方法是将大量有机溶剂溶解的盐溶液以及液态增塑剂加入聚合物基体中，形成具有聚合物主体结构的稳定凝胶。它充分提高了电导率，但是降低了膜的机械强度，并使得电解质对金属电极的腐蚀活性增加了。而复合聚合物电解质(Composite polymer electrolyte，CPE)是一种两相复合的电解质体系，它是将少量微米/纳米尺寸的无机(陶瓷)/有机填料颗粒分散在常规固态聚合物电解质中制成的。这样通常能够使电解质的电导率、机械性能以及界面活性被充分的提高。而填充剂的尺寸以及相应的比表面积，就成为了电解质性能的关键影响因素。这一类电解质因其受到优化的性能以及与纳米科学研究的相关性而受到了广泛关注。其中，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及含甲基丙烯酸甲酯(MMA)链段的聚合物基体，因其良好的性能受到了研究者的广泛关注。

2008年美国马里兰大学的Ghosh等(A.Ghosh and P.Kofinas，Journal of the Electrochemical Society 2008，155，A428-A431)研究了一种自组织双嵌段共聚物型聚合物电解质，使用的共聚物由PEO的区块以及丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸锂(MAALi)的随机共聚物(PMMA-ran-PMAALi)组成，其中添加了双(草酸根)合硼化锂LiBC₄O₈，其平均电导率在21℃下为1.26×10^-5S/cm。2010年，印度德里大学的Kumar等(D.Kumar and S.A.Hashmi，Journal of Power Sources 2010，195，5101-5108)研究了一种PMMA基复合聚合物电解质，他们使用EC、PC(体积比1∶1)溶解1M NaClO₄后与平均分子量35万的PMMA制成凝胶聚合物，并掺杂了不同质量分数的二氧化硅，其中质量分数为4％的电解质在20℃下电导率为3.4×10^-3S/cm，并具有良好的机械性能。但目前国内外尚未发现有关使用一维纳米含钛化合物(二氧化钛或其水合物)的MMA基复合聚合物电解质及其制备方法的报道。

发明内容

本发明提供一种纳米复合聚合物电解质及其制备方法。

此电解质的特征在于，含有复合化合物，所述复合化合物至少以聚甲基丙烯酸甲酯或其他含甲基丙烯酸甲酯链段的聚合物以及一维纳米含钛化合物为构成成分，并且含有机化合物增塑剂以及离子化合物。此电解质可通过如下方法得到：首先，在溶剂中溶解聚甲基丙烯酸甲酯或包括甲基丙烯酸甲酯在内的聚合物单体，同时加入一维纳米含钛化合物、有机化合物增塑剂以及离子化合物；然后，促使单体聚合(若直接使用聚甲基丙烯酸甲酯则不需要此步骤)；最后蒸去溶剂后得到聚合物电解质。

在实际制造过程中，电解质的制造有以下的原料选取与处理方式：