一种PAMPS/PHEMA/PEDOT水凝胶聚电解质及其制备方法与应用与流程

本发明属于超级电容器电解质技术领域，具体涉及一种水凝胶聚电解质及其制备方法与应用。

背景技术：

能源的开采与利用，是一个国家的经济发展重要的支柱和动力，经济的发展高度依赖于对能源的消耗。放眼全球，各大经济体以及广大发展中国家对能源的需求量均日渐增多，同时在时代发展的推动下，能源的种类也不断地进行着更新换代。在解决新型能源开发以及利用方面的一系列问题时，人们对储能设备的要求也水涨船高。超级电容器近年来正在加速发展，相比于锂离子电池，超级电容器具有更高的功率密度、迅速的充放电过程、较长的循环寿命；相比于传统的电介质电容器，超级电容器更加轻盈小型化，而且也具有更大的储能容量。其中柔性超级电容器因具备可折叠性、可塑形性等优点而成为当前发展的焦点。但是柔性超级电容器对电极材料、电解质膜材料具有更高的要求。

目前，用于超级电容器的水凝胶聚合物电解质主要以聚乙烯醇为基材，该类水凝胶聚电解质能达到较高的比电容，但力学性能不高，不能作可折叠性、可压缩的柔性材料。随着对水凝胶聚电解质材料研究的深入，pamps、phema、pedot被陆续引入用于解决力学性能与电化学性能方面的问题，但是如何通过单体聚合将三者有机结合，实现高离子电导率、高比电容、高能量密度，同时又满足柔韧性和可塑性的要求还有待研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质及其制备方法与应用，具有较高的离子电导率和高比电容，又较好的柔韧性和可塑性，在柔性超级电容器领域具有较好的应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质，所述水凝胶聚电解质以amps、hema共同聚合形成的pamps/phema为网络骨架，掺杂的edot单体在pamps/phema中聚合生成pedot，所述水凝胶聚电解质中pamps、phema、pedot的质量比为1：(7~9)：(0.03~0.04)。

其中，pamps为聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）；phema为聚甲基丙烯酸羟乙酯；pedot为聚（3,4-乙烯二氧噻吩）；amps为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；hema为甲基丙烯酸羟乙酯；edot为3,4-乙烯二氧噻吩。

所述pamps/phema为性能较为优异的水凝胶聚电解质，在其中引入pedot的方式增强了水凝胶聚电解质的离子电导率和电化学性能，提升了超级电容器的比电容、功率密度和能量密度。而且，最终形成的pamps/phema/pedot为一种三维亲水性网状高分子聚合物的水凝胶聚电解质，该聚电解质可以吸收大量水分并保持溶胀但不溶解，并且价格低廉、绿色无污染。

一种如上所述的pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质的制备方法，包括以下步骤：

（1）在amps和hema溶液加入交联剂mba和引发剂kps后，进行聚合反应后倒入模具中密封，置于60℃的干燥箱中15h。

（2）将edot单体和乙醇进行混合，搅拌均匀之后加入napss水溶液，再次搅拌均匀得到edot/napss乳浊液。

（3）pamps/phema水凝胶在edot/napss乳浊液中浸润完全后，置于fe(no3)3中，反应完后用蒸馏水除杂。

其中，mba为n’n-亚甲基双丙烯酰胺；kps为过硫酸钾；napss为聚对苯乙烯磺酸钠。

优选地，所述聚合反应条件为超声或60℃水浴搅拌。

优选地，所述步骤（1）中所述amps和hema质量比为1:7~1:9。

优选地，所述步骤（1）中所述交联剂mba用量为单体总质量的2.5~3.5%。

优选地，所述步骤（1）中所述引发剂kps用量为单体总质量的0.4~0.6%。

优选地，所述步骤（2）中所述edot与乙醇的体积比为1:10，napss水溶液的浓度为0.05mol/l，edot/napss乳浊液中edot的浓度为0.05~0.1mol/l。

优选地，所述步骤（3）中所述所述pamps/phema水凝胶在浸润前，edot/napss乳浊液需要超声1h，fe(no3)3溶液浓度为1mol/l，隔1h更换一次，连续反应10~12h。

一种如上所述的pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质的应用，包括以下步骤：将pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质浸入到1mh2so4溶液，待聚电解质均匀吸液后取出，裁切成圆形水凝胶膜，夹于活性炭电极中，并置于模具组成器件中。

优选地，所述自制活性炭电极主要由活性炭粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯组成，所述活性炭粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1。

相比于现有技术，本发明的的优点在于：

1.pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质具有较高的离子电导率和比电容，在1mh2so4溶液体系中比电容达到160.3f/g，对功率密度和能量密度有较大提升。

2.pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质具有较好的柔韧性和可塑性，能够在不同形变下提供良好的电化学性能，经裁剪后依然能够保持稳定输出电压。

3.pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质的制备方法中所用溶剂是水，安全环保，成本低廉，且工艺流程简单，便于量化生产。

附图说明

图1为实施例1所制备的pamps/phema的sem图。

图2为实施例1所制备的pamps/phema/pedot的sem图。

图3为实施例1所制备的pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质组装成超级电容器后的循环伏安测试曲线。图中各曲线由内到外的扫描速率分别为5mv/s、10mv/s、20mv/s、30mv/s、50mv/s、80mv/s、100mv/s。

图4为实施例1所制备的pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质组装成超级电容器后点亮小灯泡的试验。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于此：

实施例1

步骤1：称取0.2g的amps粉末和1.4g的hema液体，并在烧杯中加入10ml蒸馏水，搅拌使其溶解。

步骤2：在烧杯中加入0.04g的交联剂mba，超声20min。

步骤3：在烧杯中加入0.0064g的引发剂kps，超声20min。

步骤4：将溶液倒入圆形模具中，用保鲜膜密封后置于60℃的干燥箱中干燥15h，得到pamps水凝胶电解质。

步骤5：按照edot:etoh为1:10的体积比将edot单体和乙醇进行混合，搅拌均匀之后加入和混合液等体积的napss水溶液，再次搅拌均匀得到edot/napss乳浊液，其中edot的浓度为0.05m。

步骤6：将pamps/phema水凝胶浸润于edot/napss乳浊液中24h。

步骤7：将润胀有edot/napss乳浊液的水凝胶置于1m的fe(no3)3溶液中，隔1h后更换fe(no3)3溶液，连续反应12h后将水凝胶取出，多次在蒸馏水中浸泡洗涤除杂，得到pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质。

步骤8：将活性炭粉末、乙炔黑和聚偏氟乙烯以8:1:1的质量比进行混合，用研钵研细，混合均匀后向其滴入适量的n-甲基吡咯烷酮，继续研磨成均匀糊状物质。

步骤9：将步骤8中制备的糊状物质涂抹在直径为15mm的圆形碳纸片上，并置于80℃真空干燥箱中24h，得到自制活性炭电极。

步骤10：将制备的pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质浸入到1mh2so4溶液中0.5h，待电解质均匀吸液后取出，裁切成直径15mm的圆形水凝胶膜，夹于自制的活性炭电极中，并置于自制的模具组成器件。

实施例2

步骤1：称取0.2g的amps粉末和1.8g的hema液体，并在烧杯中加入10ml蒸馏水，搅拌使其溶解。

步骤2：在烧杯中加入0.07g的交联剂mba，在60℃的水浴搅拌30min。

步骤3：在烧杯中加入0.012g的引发剂kps，在60℃的水浴搅拌30min。

步骤4：将溶液倒入圆形模具中，用保鲜膜密封后置于60℃的干燥箱中干燥15h，得到pamps水凝胶电解质。

步骤5：按照edot:etoh为1:10的体积比将edot单体和乙醇进行混合，搅拌均匀之后加入和混合液等体积的napss水溶液，再次搅拌均匀得到edot/napss乳浊液，其中edot的浓度为0.1m。

步骤6：将pamps/phema水凝胶浸润于edot/napss乳浊液中24h。

步骤7：将润胀有edot/napss乳浊液的水凝胶置于1m的fe(no3)3溶液中，隔1h后更换fe(no3)3溶液，连续反应12h后将水凝胶取出，多次在蒸馏水中浸泡洗涤除杂，得到pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质。

步骤8：将活性炭粉末、乙炔黑和聚偏氟乙烯以8:1:1的质量比进行混合，用研钵研细，混合均匀后向其滴入适量的n-甲基吡咯烷酮，继续研磨成均匀糊状物质。

步骤9：将步骤8中制备的糊状物质涂抹在直径为15mm的圆形碳纸片上，并置于80℃真空干燥箱中24h，得到自制活性炭电极。

步骤10：将制备的pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质浸入到1mh2so4溶液中0.5h，待电解质均匀吸液后取出，裁切成直径15mm的圆形水凝胶膜，夹于自制的活性炭电极中，并置于自制的模具组成器件。

图1为pamps/phema水凝胶聚电解质的sem图像。通过共聚法将amps、hema单体聚合得到pamps/phema水凝胶聚电解质，sem图像中可以明显观察到hema与amps聚合结构的形貌。pamps/phema水凝胶聚电解质呈稳定的三维网络结构，其中孔洞较为致密，网络骨架结构明显。pamps/phema不仅具有良好的吸水性，并有明显的离子传输通道。

图2为pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质的sem图。掺杂的单体edot与pamps/phema骨架形成聚合物，最终形成一种三维亲水性网状高分子聚合物，水凝胶的颜色也由白色逐渐变为蓝黑色。

图3为pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质组装成超级电容器后的循环伏安曲线图，该水凝胶在1mh2so4溶液体系中具有较高的比电容，达到160.3f/g。

图4为pamps/phema/pedot水凝胶聚电解质组装成超级电容器后点亮小灯泡的实验装置，小灯泡的发光电压在1.8v~2v，该器件能够提供较理想的电压窗口。pamps/phema/pedot能够在不同形变下提供良好的电化学性能，在受到破坏（例如裁剪）之后依然能够保持稳定输出电压。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。