[发明专利]一种水凝胶电解质薄膜及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解质薄膜及其制备方法和用途。

背景技术

电化学储能器件(如超级电容器、锂离子电池等)的性能主要决定于电极材料和电解质。当前柔性超级电容器的研究主要关注于获得高性能的柔性电极，比如基于碳纳米材料(碳布、碳纳米管、石墨烯等)制备的各种自支撑柔性薄膜电极或者柔性基底负载的薄膜电极以及相关复合材料。但是，电解质同样是决定电化学器件性能的一个关键因素。尤其在柔性超级电容器中，电解质的性能将直接影响器件的电化学储能性能和其力学柔性性能。按照存在形态，电解质分为液态电解质和固态电解质，其中液态电解质又分为有机电解液(盐溶于有机溶剂得到)和水系电解液(酸、碱、盐溶于水中得到)。由于有机电解液存在污染性、挥发性和毒性，因此在柔性超级电容器中采用的液态电解质一般为水系电解液。此外，由于固态电解质可以有效避免使用过程的漏液问题，且易于封装，因此在柔性器件中广泛使用的是固态电解质。通常固态电解质分为纯固态电解质和凝胶态电解质。凝胶态电解质主要是由高分子骨架、导电离子和液体媒介(有机溶剂或水)构成。在柔性超级电容器中一般采用的是水系凝胶态电解质，即水系凝胶聚合物电解质。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，而导电离子为常见酸、碱或盐。目前在国内外在柔性超级电容器研究中最常用的一个体系基于PVA的聚合物水凝胶(polymergel)电解质，比如PVA-H₂SO₄(或H₃PO₄、HCl、HClO₄、KOH、NaOH、Na₂SO₄、NaCl、Li₂SO₄、LiCl)聚合物水凝胶电解质。但是，当前柔性超级电容器研究中使用的该体系只是PVA和H₂SO₄水溶液(或其他酸、碱、盐)的混合物，并未形成凝胶。尽管可以通过放置于空气中，在常温(或低温加热)下挥发掉大量的水来形成物理凝胶薄膜，但是这样的凝胶薄膜无法同时兼顾高含水量和高力学强度，难以形成自支撑凝胶电解质薄膜，这对于柔性超级电容器尤其重要。

但是，如何获得这样的高性能高强度水凝胶电解质自支撑薄膜目前尚未报道。在当前的柔性超级电容器研究中，为了兼顾高含水量和高力学性能。通常是把PVA与电解质溶液的混合溶液，吸附于隔膜材料上形成隔膜负载的电解质。但是该方法增加了器件的内阻，同时也在一定程度上增加了整个器件的惰性质量含量。因此，开发自支撑的高性能水凝胶电解质薄膜是制约柔性超级电容器以及其他柔性电化学储能器件(如柔性水系锂离子电池等)开发的一个关键方面。

发明内容

为了克服现有物理水凝胶电解质难以兼顾高含水量和优异力学性能的缺点，本发明提出一种工艺简单、成本低廉的化学交联的自支撑水凝胶电解质薄膜及其制备方法和用途。

本发明水凝胶电解质薄膜为化学交联的自支撑薄膜水凝胶电解质薄膜，含有高分子基体和电解质水溶液。其中，所述高分子基体通过化学交联相互连接，形成空间网状结构，所述的电解质水溶液填充在所述的空间网络结构的空隙中。

本发明水凝胶电解质薄膜的厚度为10微米-5毫米。

优选的，所述水凝胶电解质薄膜的厚度为200微米-2毫米。

以所述水凝胶电解质薄膜的总量为基准，所述高分子基体的含量为水凝胶电解质薄膜总量的2-90重量百分比。

优选的，以所述水凝胶电解质薄膜的总量为基准，所述高分子基体的含量为水凝胶电解质薄膜总量的2-20重量百分比。

所述高分子基体可以是聚乙烯醇或者明胶中的一种或者两种。

所述的电解质水溶液为酸性电解质水溶液或者盐类电解质水溶液。所述酸性电解质水溶液是硫酸、磷酸、盐酸、高氯酸水溶液中的一种或多种。所述盐类电解质水溶液是氯化钾、氯化锂、氯化钠、硫酸钾、硫酸锂、硫酸钠水溶液中的一种。

本发明水凝胶电解质薄膜采用化学交联-浇铸成膜法制备，所述化学交联-浇铸成膜法是：