一种具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质的制备方法与流程

本发明属于超级电容器领域，具体涉及一种具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质的制备方法。

背景技术：

随着化石能源的消耗和环境污染的破坏，人类迫切需要一种绿色存储能源器件。超级电容器是一种介于二次电池和物理电容器之间的新型绿色储能器件。由于传统超级电容器存在电解液毒性高、漏液和封装困难等一系列问题，固态超级电容器的研究和发展就显得迫切和重要。聚合物凝胶电解质正好可以解决这一问题，常用的聚合物有聚乙烯醇(pva)、聚环氧乙烷(peo)、聚丙烯腈(pan)、聚丙烯酸酯(paa)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。这些聚合物都没有阻燃性，从而存在安全性问题；且这些聚合物结晶度普遍偏高，不利于离子扩散，使比电容提高困难。因此制备一种具有超高比电容的阻燃性聚合物凝胶电解质就可以解决固态超级电容器的安全性问题。

琼脂是由红海藻纲中提取的亲水性胶体。它的结构是β-d-半乳糖之间以1，3-糖苷键形成链。在链的末端是以1，4-糖苷键同α-d-葡萄糖硫酸酯连接。琼脂溶于热水，冷却后变成凝胶。首先，由于琼脂分子链与水有氢键的作用，在低浓度时也能形成凝胶，保水率高，有利于提高电导率，获得高比电容；第二，琼脂具有特殊的六元环状结构，大的空间位阻可以降低pva的渗流阈值，提高电导率，获得高比电容；第三，琼脂中大量的c-o-c及-oh可与pva中大量的羟基形成氢键，降低其结晶度，提高电导率；第四，因为琼脂分子主链还有大量c-o-c，且带有许多-oh，一方面，它燃烧产生大量h2o和co2阻隔了与可燃性气体的接触，从而起到了阻燃的目的，另一方面，锂离子在燃烧过程中产生的氧化物保护其本体，防止氧气的接触和火势的蔓延，从而阻止了进一步的燃烧。

技术实现要素：

本发明利用来源丰富且可再生的琼脂作为原料之一，制备了可用作安全性超级电容器固态电解质材料的具有超高比电容的阻燃聚合物水凝胶。

本发明制备过程简单，不需要昂贵设备，所得产品质量稳定性能好，在将来固态超级电容器的大规模应用中具有光明的前景。

一种具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质的制备方法，制作过程包括以下步骤：

1)把质量分数为4％的琼脂粉加入1-4m的醋酸锂的水溶液中，加热至90-100℃溶解，制备成琼脂-醋酸锂溶液。

2)把质量分数为10％的pva加入1-4m的醋酸锂的水溶液中，加热至90-100℃溶解，制备成pva-醋酸锂溶液。

3)将琼脂-醋酸锂溶液和pva-醋酸锂溶液按照体积比为1∶1的比例，在高温下共混均匀，得到琼脂-pva-醋酸锂共混溶液；

4)将琼脂-pva-醋酸锂共混溶液浇筑于一光滑平板上，均匀抹平至厚度2mm，冷却静置，得到凝胶电解质膜；

5)对具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质膜干燥后，使用酒精喷灯进行燃烧测试；

6)用活性炭为电极材料，具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶为固态电解质组装超级电容器，在电化学工作站及蓝电电池测试系统测试其电化学性能。

本发明具有以下优点：

本发明使用的原料主要是琼脂，卡拉胶是从红藻中提取出来的，来源广泛、环保绿色、安全性高。

本发明方法制备的具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质，可用作超级电容器固态电解质材料，具有良好的安全性。

本发明方法制备的具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质可大量合成，不需要昂贵设备，可广泛用于固态超级电容器中。

附图说明

图1是具体实施例1的具有超高比电容的阻燃凝胶电解质膜的制备流程图。

图2是具体实施例1的具有超高比电容的阻燃凝胶电解质膜干燥后的燃烧不同时间的实验照片(a组)，插入图为电解质膜移开火焰的照片；b组为传统pva电解质膜的对比图片。

图3是具体实施例1的具有超高比电容的阻燃凝胶电解质组成的超级电容器在不同电流密度下的恒流充放电曲线。

图4是具体实施例1的具有超高比电容的阻燃凝胶电解质组成的固态超级电容器在电流密度为10macm^-2下测试的循环稳定性(电压为1.8v)。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

1)把质量分数为4％的琼脂粉加入2m的醋酸锂的水溶液中，加热至95℃溶解，制备成琼脂-醋酸锂溶液。

2)把质量分数为10％的pva加入2m的醋酸锂的水溶液中，加热至95℃溶解，制备成pva-醋酸锂溶液。

3)将琼脂-醋酸锂溶液和pva-醋酸锂溶液按照体积比为1∶1的比例，在高温下共混均匀，得到琼脂-pva-醋酸锂共混溶液；

4)将琼脂-pva-醋酸锂共混溶液浇筑于一光滑平板上，均匀抹平至厚度2mm，冷却静置，得到凝胶电解质膜；

5)对聚合物凝胶电解质膜干燥后，使用酒精喷灯进行燃烧测试

6)用活性炭为电极材料，凝胶电解质膜为固态电解质组装超级电容器，在电化学工作站及蓝电电池测试系统测试上述凝胶电解质膜的电化学性能。

实施例2

1)将醋酸锂水溶液的溶度改为1m，其他操作同实例1。

实施例3

1)将醋酸锂水溶液的溶度改为3m，其他操作同实例1。

实施例4

1)将醋酸锂水溶液的溶度改为4m，其他操作同实例1。

实施例5

1)将琼脂溶解温度和pva溶解温度改为90℃，其他操作同实例1。

实施例6

1)将琼脂溶解温度和pva溶解温度改为100℃，其他操作同实例1。

技术特征：

1.一种具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1)把适量琼脂粉加入醋酸锂的水溶液中，加热溶解，制备成琼脂-醋酸锂溶液。

2)把适量pva加入醋酸锂的水溶液中，加热溶解，制备成pva-醋酸锂溶液。

3)将琼脂-醋酸锂溶液和pva-醋酸锂溶液在高温下共混均匀，得到琼脂-pva-醋酸锂共混溶液；

4)将琼脂-pva-醋酸锂共混溶液浇筑于一光滑平板上，均匀抹平，冷却静置，得到超高比电容的阻燃凝胶电解质膜；

5)对超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质膜进行燃烧测试；

6)用电化学工作站及蓝电电池测试系统测试上述超高比电容的阻燃凝胶电解质膜的电化学性能。

2.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述琼胶水溶液浓度为质量分数4％，溶解温度为90-100℃，醋酸锂水溶液的浓度为1m、2m、3m、4m。

3.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述pva水溶液浓度为质量分数10％，溶解温度为90-100℃，醋酸锂水溶液的浓度为1m、2m、3m、4m。

4.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述的琼脂-醋酸锂溶液和pva-醋酸锂溶液体积比为1∶1，温度为90-100℃，时间为15min。

5.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述，将凝胶涂抹均匀，厚度约为2mm，冷却静置过程中水分子与聚合物分子链形成氢键，琼脂分子链与pva分子链形成氢键，使凝胶聚合物固化成膜。

6.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述凝胶电解质干燥后，使用酒精喷灯进行燃烧测试。

7.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤6)中所述使用活性炭为电极材料，凝胶电解质膜为电解质，组装固态超级电容器。

技术总结
本发明公开了一种具有超高比电容的阻燃聚合物凝胶电解质的制备方法，属于固态超级电容器领域。该电解质采用琼脂、PVA和醋酸锂为原料，成功地制备出了超级电容器用的聚合物凝胶电解质。该凝胶电解质相对于传统的纯PVA凝胶电解质具有超高比电容(701mF cm‑2，电流密度5mA cm‑2)和良好的循环稳定性(连续充放电8000次后材料的比电容维持初始的90.17％)，且表现出优异的阻燃性。传统的凝胶电解质比电容一般限制在400mF cm‑2，且无法在具有高比电容的同时具有阻燃特性。因此，利用具有阻燃特性的安全性凝胶聚合物制备更高比电容固体电解质具有重要的意义。本发明中，琼脂来源丰富，环境友好，所得超高比电容聚合物凝胶电解质用于超级电容器中性能优异，是非常有前景的能源材料。

技术研发人员：杨东江;邹译慧;闫婷婷;佘希林;孙瑾
受保护的技术使用者：青岛大学
技术研发日：2020.09.02
技术公布日：2021.01.12