[发明专利]一种低温水凝胶电解质及其制备方法

说明书

本发明属于电解质材料技术领域，具体为一种低温水凝胶电解质及其制备方法。本发明水凝胶电解质包括聚乙烯醇（PVA）、离子液体、无机盐和水。本发明通过向PVA水溶液中添加亲水性离子液体和无机盐水溶液，混合均匀后密封静置，利用PVA在混合体系中能够自发形成物理交联网络的特性，获得可在低温环境中使用且敞口放置不会变干的PVA水凝胶电解质。这类水凝胶电解质的制备简单易行，且形貌可控，绿色环保，制得的PVA水凝胶强度高、韧性好，在‑50至25℃的温度范围内均具有合适的电导率；能够调控水凝胶的凝胶化时间以及电学和力学性能，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电解质材料技术领域，具体涉及一种低温水凝胶电解质及其制备方法。

技术背景

随着储能器件朝着高能量密度、柔性化等方向发展，具有高安全性及高稳定性的柔性电解质材料受到了广泛关注，因其直接决定了储能器件的使用环境与使用寿命。通常，这类电解质分为液态电解质、固态电解质和水凝胶电解质。其中，液态电解质应用广泛，但存在着易泄露、难封装、易变干等缺点，因此增大了相应器件的制备难度，且限制了该类器件的实际应用；固态电解质离子迁移率低，约10^-6~10^-5S/m，并且不可弯折，不能满足柔性化需求；而由聚合物交联网络和水溶液组成的水凝胶电解质兼具高离子迁移率及尺寸与性能稳定性，机械性能（如弹性、柔韧性）高度可调等优点，是电解质材料的理想选择。但是，传统的水凝胶电解质保水能力较差，大部分水凝胶都会在敞口放置几小时后变干失效。同时，在冰点以下，传统的水凝胶电解质材料易冻结从而失去弹性和导电性，严重限制了它们的使用温度范围。

聚乙烯醇（PVA）是一种应用极为广泛的水溶性高分子材料，其来源广泛，价格低廉，在不同领域得到了广泛的应用。通常，PVA物理水凝胶用冷冻-解冻法循环多次制备得到，其以分子链间的氢键和微晶区作为物理交联点形成三维网络。由于微晶尺寸及分布的不均匀性，PVA水凝胶的透明性和力学性能均较差。

本发明通过向PVA水溶液中引入亲水性离子液体和无机盐，诱导PVA在室温条件下自发形成均匀的物理交联网络，得到了一类模量高、韧性强且具有导电能力的PVA水凝胶电解质。亲水性离子液体的加入，实现了室温条件下均匀微晶区的形成，形成的水凝胶呈半透明态，且弹性模量有所提高；由于与水分子间具有较强的相互作用，离子液体的加入也赋予该体系优异的保水性能，因此该类水凝胶的尺寸及性能稳定性好，在自然环境中长时间敞口放置（一年以上）不会变干；同时，离子液体与水的共溶剂作用降低了体系的熔点，使得该电解质在-50℃条件下仍可正常工作。除此之外，这类低温电解质的制备过程简单高效，原料及产物中均不含任何挥发性有机溶剂，绿色环保，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一类具有保水性能且能够在冰点以下工作的低温水凝胶电解质及其制备方法。

本发明提供的低温水凝胶电解质，为PVA/离子液体/水/无机盐混合体系形成的水凝胶。将PVA（无机盐）水溶液按照一定的比例与不同种类的离子液体混合，使PVA在室温下形成物理交联网络，即得到具有保水性能且能够在冰点以下工作的水凝胶电解质。

本发明提供的水凝胶电解质制备方法，具体步骤为：

（1）由不同种类的无机盐配制相应水溶液；

（2）由纯水或步骤（1）中制备的无机盐水溶液溶解PVA粉末；

（3）将亲水性离子液体加入步骤（2）制备的PVA溶液中，通过搅拌得到混合均匀的溶液；为保证产物中各组成比例的恒定及控制形貌，把混合溶液浇铸在相应的模具中并在室温下密封放置1至25天，即可得到具有保水性能且能够在冰点以下工作的高强度导电PVA水凝胶。