[发明专利]用于高性能全固态超级电容器的凝胶聚合物电解质

说明书

本发明属于储能领域，涉及一种高性能全固态超级电容器的凝胶聚合物电解质。利用阻燃剂(DOPO)的活性P‑H键接枝到聚合物链上，制备了如式(I)所示的阻燃凝胶聚合物电解质。凝胶电解质在20℃时具有4mS cm^‑1的良好离子电导率和良好的阻燃能力，可以在～28KPa的最大应力和～305％的最大应变的范围内调节凝胶电解质的机械强度。聚(HFBA₈‑co‑HEMA₁)电解质基SC的电极的质量比电容在8000次循环后仍可保持76％；基于凝胶的SC在多个弯曲循环下基本上保持不变。基于凝胶的SC具有良好的低温耐受性，并且可以在‑20℃至60℃的温度范围内正常工作。凝胶电解质的多重优点扩展了其在离子导体和能量存储设备中的应用，解决了传统的液体电解质由于易挥发，易燃且易于泄漏等缺点。

技术领域

本发明属于储能领域，涉及一种高性能全固态超级电容器的凝胶聚合物电解质。尤其是涉及一种用于高性能全固态超级电容器的阻燃，高导电性和耐低温凝胶聚合物电解质。

背景技术

电动汽车和便携式可穿戴电子设备的飞速发展，引发了锂离子电池和超级电容器之类的能量存储设备的需求增长。电解质是储能装置的重要组成部分，其性能直接影响锂离子电池和超级电容器的性能和应用环境。现有技术中，储能装置中使用的大多数电解质是有机液体(有机酯或醚)和锂盐的组合。然而，当储能设备过充或发生短路时，液态电解质较差的热稳定性，易燃性和容易泄漏的缺点会使该设备遭受安全风险，例如燃烧和爆炸。

固态聚合物电解质虽然与液态电解质相比不易燃，通过将聚环氧乙烷/双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂电解质填充到不易燃的多孔聚酰亚胺膜中而制成的聚合物电解质，该膜在30℃下的电导率为2.3×10^-4S cm^-1，具有良好的阻燃性[J.Wan,J.Xie,X.Kong,Z.Liu,F.Shi,A.Pei,H.Chen,W.Chen,J.Chen,X.Zhang,L.Zong,J.Wang,L.Chen,J.Qin,Y.Cui,Nat.Nanotechnol.14(2019)705–711]。但是，固态聚合物电解质在室温下(～10^-4-10^-6S cm^-1)具有较低的离子电导率并且与电极的界面接触不良[Q.Zhang,K.Liu,F.Ding,X.Liu,Nano Research 10(2017)4139–4174]，这限制了其实际应用。

凝胶聚合物电解质具有高离子电导率和良好的机械性能而被认为是液体电解质最有希望的替代品。但是，在零下温度下，水凝胶电解质不可避免发生水的结冰而导致电导率急剧下降，限制了其适用。有机凝胶电解质虽不易结冰，但是，由有机溶剂制成的凝胶聚合物电解质仍然会燃烧。马等人[M.Jin,Y.Zhang,Ch.Yan,Y.Fu,Y.Guo,X.Ma,ACSAppl.Mater.Interfaces 10(2018)39570–39580]以离子液体为溶剂，合成了具有高离子电导率(5.13mS cm^-1)和优异的热稳定性的含硼凝胶聚合物电解质。然而，离子液体相对昂贵。Wen等[D.Xu,J.Su,J.Jin,C.Sun,Y.Ruan,C.Chen,Z.Wen,Adv.Energy Mater.9(2019)1900611]报道了使用不易燃的磷酸三乙酯作为溶剂的聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯基凝胶聚合物电解质。然而，有机磷酸酯溶剂的引入将导致聚合物电解质的电导率降低。另外，有机磷酸盐倾向于在石墨阳极的表面上形成不稳定的固体-电解质-中间相膜，这会导致在第一次充电过程中石墨剥落和连续的电解质分解。

发明内容

为了解决传统的液体电解质由于易挥发，易燃且易于泄漏等缺点，使得储能装置在过充和短路的情况下不会发生燃烧和爆炸的问题，本发明提供一种阻燃凝胶聚合物电解质，利用阻燃剂(DOPO)的活性P-H键接枝到聚合物链上，制备了阻燃凝胶聚合物电解质。在进行性能测试是，我们吃惊的发现，该凝胶聚合物电解质具有良好离子电导率、良好的阻燃能力、良好的低温耐受性、可调节的机械强度等多重优点，扩展了其在离子导体和能量存储设备中的应用。