[发明专利]一种双网络水凝胶电解质及其制备和应用

说明书

本发明公布了一种高强度与高电导率的中性双网络水凝胶电解质及其制备方法和应用。本发明以具有刚性和水溶性的天然高分子材料作为第一种聚合物网络，以具有柔性和水溶性的合成高分子材料作为第二种聚合物网络，以硫酸盐为中性导电无机盐，采用γ‑射线或电子束辐射聚合交联的制备方法得到含硫酸盐的天然高分子/合成高分子的中性双网络水凝胶电解质。该水凝胶电解质与活性炭电极组装成柔性超级电容器，相比于同种硫酸盐水溶液作为电解质组装成的超级电容器，具有相同的比电容与更优的倍率性能和充放电循环稳定性，另外还拥有非常好的抗压缩和耐压缩性能，以及抗弯折和耐弯折性能。

技术领域

本发明涉及一种高强度与高电导率的中性双网络水凝胶电解质材料及其制备方法，即利用γ-射线或电子束辐射聚合交联的方法制备得到含硫酸盐的天然高分子/合成高分子双网络水凝胶电解质，以及其作为可弯折和可压缩的柔性超级电容器固体电解质的应用。

背景技术

随着人们日常生活对能源日益增长的需求，我们迫切需要大力发展高效的能量存储设备，其中超级电容器由于具有使用寿命长和功率密度高等优点而得到广泛的重视。最近研究表明，中性水凝胶电解质在超级电容器中表现出很好的应用前景【Qian A,Zhuo K,et al.ACS Appl.Mater.Interfaces,2016,8(50):34455-34463】，其没有液态电解质的漏液问题，有机电解质的易燃问题，以及酸或碱性电解质的腐蚀性问题，极大地提高了设备的安全性。γ-射线或电子束辐射聚合交联法因具有成本低，反应条件温和，操作简单，无需引发剂，易批量化等优点，已被应用于凝胶电解质的合成上【CN 104659413A，CN106374139A】。此外，现代的柔性可穿戴能量存储设备要求凝胶电解质具有高的可拉伸性、可压缩性、可弯折性和导电性。因此，柔性全固态超级电容器作为其中的一员得到了越来越多的关注【CN106229159 A，CN 104952634 A】。

目前，柔性全固态超级电容器所使用的水凝胶电解质主要是以聚乙烯醇(PVA)为基材，该类水凝胶电解质的优点是具有良好的水溶性和宽的pH适用范围。PVA类水凝胶电解质可以分为酸性、碱性和中性三种。酸性PVA类水凝胶电解质，主要有PVA-H₃PO₄【CN106935410 A，CN 106229160 A，CN 106340402 A】，PVA-H₂SO₄【CN 106783220 A，CN106558422 A，CN 106548875 A】，PVA-HCl【CN 106653391 A】，PVA-聚苯胺-植酸【CN106832348 A】等。碱性PVA类水凝胶电解质，主要有PVA-KOH【CN 106887343 A】，改性PVA共聚物-LiOH【CN 106832135 A】，PVA-聚丙烯酸钠-KOH【CN 106252093 A】等。中性PVA类水凝胶电解质，主要有PVA-KCl【CN 106601491 A】，PVA-LiCl【CN 106887343 A】等。

然而，基于PVA类的水凝胶电解质的力学性能不高，无法作为高可弯折和可压缩的柔性全固态超级电容器的电解质。因此，应用于柔性全固态超级电容器中的具有新型组成和结构的高强度和高电导率的中性水凝胶电解质还有待进一步开发。

发明内容

本发明目的在于克服当前化学引发聚合交联制备的凝胶电解质残留引发剂、制备过程要求惰性气氛和难于批量化制备等缺点，以及当前水凝胶固态电解质的力学性能和电导率不高的缺点，提供一种新型的用于柔性全固态超级电容器的高强度与高电导率的中性双网络水凝胶电解质及其制备方法。

本发明利用γ-射线辐射聚合交联制备得到含硫酸盐的天然高分子/合成高分子(M_1～2SO₄-NPM/SPM)双网络水凝胶电解质，并将其应用于可弯折和可压缩的柔性超级电容器的固体电解质。