[发明专利]一种基于多组分共凝胶剂的准固态电解质及其制备方法与其应用

说明书

本发明公开了一种基于多组分共凝胶剂的准固态电解质及其制备方法与其应用，该凝胶电解质是使用两种或多种特定结构的有机小分子化合物或添加剂构成超分子网络结构使电解质体系胶凝化得到的。这种准固态电解质与普通凝胶电解质以及液态电解质相比，在解决液态电解质电池难密封和易漏液的问题和提高电池的长期稳定性的同时，可获得较高的光电转换效率，从而有效改善了电池的性能，应用于染料敏化太阳电池和量子点太阳电池中，能够有效提高太阳电池的稳定性。

技术领域

本发明属于化学、化工、材料及物理技术的交叉领域，具体涉及一种基于多组分共凝胶剂的准固态电解质及其制备方法与其应用。

背景技术

随着不可再生能源的日益枯竭与能源消耗的持续增加，发展新能源及新能源材料是人类面临的重大课题。太阳能以其绿色、安全、长寿以及资源相对广泛和充足的优点，被认为是最重要的新能源之一。

1991年瑞士洛桑高工（EPFL）Grätzel领导的研究小组，利用联吡啶钌(Ⅱ)配合物染料和纳米多孔二氧化钛（TiO2）薄膜制备了染料敏化太阳电池（DSC），并且获得了7.1%的光电转换效率（Oregan, B.; Grätzel, M., et al. Nature, 1991, 353: 737）。这一突破性研究进展为太阳电池的发展和应用树立了一座里程碑。

典型的DSC是由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、阴极材料和导电基底构成的，其中电解质作为其重要组成部分，对电池的效率和稳定性等有着重要的影响作用。液态电解质因其具有扩散速率快、良好的浸润性、成分易设计和调节、光电转换效率高等特点而被广泛应用。2011年，Grätzel小组又将DSC的研究工作向前推进了一步，获得了光电转换效率为12.3%的液态电解质DSC（Yella A., Zakeeruddin S. M., GrätzelM., et al. Science, 2011, 334: 629）。虽然利用液态电解质可以获得较高的光电转换效率，但仍旧存在一些不可避免的问题，即容易导致TiO2的表面吸附的染料脱落。同时，液态电解质自身不稳定易发生变化，且有机溶剂易挥发，造成电池封装困难，降低了电池的稳定性，限制了DSC的商业化应用。

为了解决DSC的封装和泄漏问题，提高电池的稳定性，准固态电解质应运而生。准固态电解质是指在液态电解质中添加胶凝剂分子，并在一定条件下通过物理相互作用或者通过化学反应交联，形成空间网络结构，液态电解质作为分散介质填充在该网络结构中，使得准固态电解质表观呈固态。准固态电解质的机械强度和力学性能介于液态和固态电解质之间，导电机理与液态电解质相同，因此具有良好的电化学性能。目前用来凝胶化液态电解质的胶凝剂主要包括有机聚合物胶凝剂、无机纳米颗粒、有机小分子胶凝剂，以及多组分共凝胶剂。

凝胶通常是指由凝胶剂在特定溶剂中，通过非共价键进行自组装形成的凝胶。这些相互作用使得凝胶具有良好的本征稳定性，同时，非共价键的可逆性又使得凝胶对外部环境的变化较为敏感，例如热可逆性，即在加热到相转变温度（Tgel）时，凝胶会转变为液体，当冷却到Tgel以下，液体又逐渐转变为固体，在此过程中，凝胶的机械性能等也会随之发生变化。因此，凝胶在生物材料、传感器、主体-受体材料、液晶材料以及无机和有机模板材料等方面受到了广泛的关注。相对于其他凝胶材料，按照溶剂的不同，凝胶可以分为基于有机溶剂的有机凝胶和基于水的水凝胶。在基于多组分共凝胶剂的凝胶体系中，可以通过改变不同组分的含量来调节凝胶的微观网络形貌和性能。目前，大部分的研究都集中在两组分的凝胶体系，这种体系可分为以下三类：两种胶凝剂必须配合使用才能使溶剂胶凝化；两种胶凝剂单独使用或配合使用均可以使溶剂胶凝化；一种是胶凝剂，而另一种是作为添加剂使用的(Buerkle L. E., Rowan S. J. Chem. Soc. Rev, 2012, 41: 6089)。