CN101483104A - 用于染料敏化电池的聚合物固体电解质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于染料敏化电池聚合物固体电解质及其制备方法,包括聚合物基体,氧化还原电对,还包括含有异氰酸功能基团以及水解后可以与无机溶胶粒子络合的功能性基团的硅烷偶联剂以及水解后产生无机溶胶粒子的金属烷氧基化合物,所述无机溶胶粒子通过溶胶凝胶原位复合与聚合物基体交联在一起。本发明的聚合物固体电解质,无机溶胶粒子在聚合物基体中均匀分散,具有良好的热稳定性能,制备方法简单独特,不需要复杂的仪器,可以有效解决染料敏化电池的封装问题,此固体电解质用于染料敏化电池领域中有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池,具体说,是涉及一种用于染料敏化太阳能电池的聚合物固体电解质及其制备方法。
背景技术
根据目前染料敏化纳米薄膜太阳电池所用电解质状态的不同,可以将其分为三类:液体电解质电池、准固态电解质电池和固态电解质电池。液体电解质系统液体电解质由于其扩散速率快,电池的光电转换效率高,组成成分易于设计和调节,对纳米多孔膜的渗透性好而一直被广泛研究。1991年,M.研究小组首先在这种电解质体系中取得了突破,该体系由三个部分组成:氧化还原电对,有机添加剂,有机溶剂。电解质中的溶质主要是由具有可逆性好的氧化还原电对组成,一般含有I-和I3 -等,如碘化锂、碘等。电解质在电池中的主要作用是起氧化还原作用,并起到电子传输作用。
但使用液体电解质后,组装电池时不仅不易密封,而且还存在着因有机溶剂容易挥发和电解质易泄漏而造成电池在电池的长期工作过程中性能下降,从而会缩短了太阳电池的使用寿命,因此较难实现大规模的产业化。
如果将聚合物固体电解质应用于染料敏化电池后,就可以很好的解决液体电解质容易挥发、容易泄露的问题,也解决了电池的封装难题,这样就可以延长电池的寿命,增加电池的稳定性。但电池在太阳的照射下,温度升高,电解质有可能由固态会变成液态,因此设计的电解质应该有较好的热稳定性,使得染料敏化电池可以最终实现产业化。
在聚合物基体中加入无机材料制备聚合物固体电解质方法,国内外一般使用的方法是将无机粒子(二氧化硅,二氧化钛等无机材料)先制备好,再通过搅拌等手段掺杂在聚合物基体中,以解决电解质的热稳定性和固体化。但是使用该方法,在聚合物基体中要实现无机粒子均匀分散有一定的困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种用于染料敏化电池的聚合物固体电解质及其制备方法,克服无机粒子不能均匀分散的缺点,具有良好的热稳定性,可以解决电池封装问题。
为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种用于染料敏化电池的聚合物固体电解质,包括聚合物基体,氧化还原电对,其特征在于,还包括含有的异氰酸功能基团以及水解后可以与无机溶胶粒子络合的功能性基团的硅烷偶联剂以及水解后产生无机溶胶粒子的金属烷氧基化合物,所述无机溶胶粒子通过溶胶凝胶原位复合与聚合物基体交联在一起。
一种聚合物固体电解质的制备方法,按下列步骤进行:
(1)以聚合物基体和含有异氰酸功能基团以及水解后可以与无机粒子络合的功能性基团的硅烷偶联剂为原料,N-N-二甲基甲酰胺为溶剂,在室温下搅拌,得到前驱体;
(2)加入金属烷氧基化合物,室温下搅拌,在酸性条件下使前驱体和金属烷氧基化合物水解,产生的无机溶胶粒子与聚合物基体交联;
(3)在金属烷氧基化合物呈溶胶状态时,加入碘化锂,碘,乙腈,室温下通过磁力搅拌,把溶液混合均匀;
(4)无机溶胶粒子完成凝胶过程后即制备出聚合物固体电解质。
所述聚合物基体是聚乙二醇或聚丙二醇或它们的单取代衍生物。
所述硅烷偶联剂含有水解后可以与无机溶胶粒子络合的功能性基团是甲氧基或乙氧基。
所述金属烷氧基化合物可以为正硅酸乙酯,正硅酸甲酯,钛酸丁酯等。
本发明提供了一种用于染料敏化电池的聚合物固体电解质及其制备方法,以此来代替液体电解质。这种聚合物固体电解质是在聚合物基体中加入无机材料,可以提高电解质的热稳定性。用于染料敏化电池的聚合物固体电解质与液体电解质相比,具有良好的热稳定性,可以解决电池封装问题,因此,使用聚合物固体电解质后,为实现染料敏化电池最终的产业化打下坚实的基础。
具体实施方式
本发明提供了一种无机溶胶粒子在聚合物基体中均匀分散的聚合物固体电解质及其制备方法。
本发明的聚合物固体电解质包括聚合物基体,氧化还原电对和含有异氰酸功能基团的硅烷偶联剂,通过金属烷氧基化合物在聚合物基体溶液中水解,经过溶胶凝胶过程后在基体中原位生成无机粒子;硅烷偶联剂还含有在水解后可以与无机粒子络合的功能性基团,利用硅烷偶联剂与有机物形成的前驱体水解,形成羟基;形成的羟基与金属烷氧基化合物含有羟基的水解产物通过脱水形成硅-氧-硅键,利用硅-氧-硅化学键的作用将聚合物基体与无机粒子联结在一起,从根本上解决了无机粒子在聚合物基体中的均匀分散问题。无机粒子的均匀掺杂可以提高聚合物固体电解质热稳定性,所制备的聚合物固体电解质同时具有无机材料较好的耐温性能和有机物的柔韧性。制备工艺简单,所得到材料热稳定性好。
本发明所说的聚合物固体电解质的制备方法是按下列步骤进行:
在反应瓶中依次加入定量的带有羟基基团聚合物的N-N二甲基甲酰胺溶液,密闭抽真空充氮气,反复三次。在干燥过的反应瓶中倒入含有硅烷偶联剂的N-N二甲基甲酰胺溶液;同时开动磁力搅拌器搅拌,并在室温范围内搅拌8~48小时,反应结束,得到封端的前驱体。
在此前驱体中加入金属烷氧基化合物,在室温下搅拌3~6小时,待混合溶液搅拌混合均匀后,注入适量稀盐酸,让金属烷氧基化合物水解,在反应体系中原位生成无机材料的溶胶粒子。
将氧化还原电对(I-/I3 -)加入聚合物基体中,同时控制I-和I3 -摩尔浓度为1.0-3.0摩尔/升和0.1-0.3摩尔/升。不断加以搅拌3-24小时,优选的,12小时,使氧化还原电解质溶解并混合均匀。
随着反应的进行,无机溶胶粒子逐渐凝胶化,即可得到均匀透明的聚合物固体电解质,此固体电解质中含有染料敏化电池起氧化还原反应的I-和I3 -,由于无机粒子的存在,可以提高固体电解质的机械强度和热稳定性。
上述聚合物基体为聚乙二醇、聚丙二醇、或它们的单取代衍生物,如聚丙二醇单甲醚、聚乙二醇单甲醚、聚乙二醇单乙酰酯,聚氧化乙烯等。
上述硅烷偶联剂为带有与聚合物基体反应的异氰酸酯功能基团,带有与无机部分连接的功能的甲氧基或乙氧基基团。
上述金属烷氧基化合物可以为正硅酸甲酯,正硅酸乙酯,钛酸丁酯等。
上述氧化还原电对为碘化锂/碘。
下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容:
实施例1
将0.005摩尔聚乙二醇和0.3摩尔N-N二甲基甲酰胺溶液加入到250毫升的反应瓶中,密闭抽真空充氮气,反复三次。边搅拌边加入0.01摩尔异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷,反应时间为8-48小时,即得到前驱体。再将0.01摩尔正硅酸乙酯滴入反应瓶中,在室温下混合均匀,搅拌3-6小时。滴加入0.5%wt盐酸溶液(2.5摩尔/升),使正硅酸乙脂水解形成无机二氧化硅溶胶粒子。加入碘化锂,碘,乙腈,控制碘化锂的浓度为1.0摩尔/升,控制碘的浓度为0.1摩尔/升。同时加以搅拌,使氧化还原电解质溶解并混合均匀。反应12小时,无机二氧化硅溶胶粒子凝胶化,随着反应的进行,溶胶粒子逐渐凝胶化,即可得到均匀透明的聚合物固体电解质。由于二氧化硅在聚合物基体中的原位生成,实现均匀掺杂,可以提高聚合物固体电解质的热稳定性。
实施例2
将0.01摩尔聚乙二醇单甲醚和0.3摩尔N-N二甲基甲酰胺溶液加入到250毫升的反应瓶中,密闭抽真空充氮气,反复三次。边搅拌边加入0.01摩尔异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷,反应时间为8-48小时,即得到前驱体。再将0.01摩尔正硅酸乙酯滴入反应瓶中,搅拌3-6小时,在溶液中混合均匀。滴加入0.5%wt盐酸溶液(2.5摩尔/升),使正硅酸乙脂水解形成无机二氧化硅溶胶粒子。加入碘化锂,碘,乙腈,控制其碘化锂的浓度为3.0摩尔/升,碘的浓度为0.3摩尔/升。继续室温搅拌12小时,使二氧化硅溶胶粒子凝胶化,同时使氧化还原电解质溶解并混合均匀,无机溶胶粒子逐渐凝胶化,即可得到均匀透明的聚合物固体电解质。由于二氧化硅粒子的存在,可以提高聚合物固体电解质的机械强度和热稳定性。
实施例3
将0.005摩尔聚乙二醇和0.3摩尔N-N二甲基甲酰胺溶液加入到250毫升的反应瓶中,密闭抽真空充氮气,反复三次。搅拌同时,加入0.01摩尔异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷,即得到前驱体。再将0.01摩尔钛酸丁酯滴入反应瓶中,搅拌3-6小时,在溶液中混合均匀。滴加入0.5%wt盐酸溶液(2.5摩尔/升),使钛酸丁酯水解形成无机二氧化钛溶胶粒子。加入碘化锂,碘,乙腈,控制其浓度为1.0摩尔/升和0.1摩尔/升。继续反应12小时,使二氧化钛溶胶粒子凝胶化,同时使氧化还原电解质溶解并混合均匀,无机溶胶粒子逐渐凝胶化,即可得到均匀透明的固体电解质。由于无机二氧化钛粒子的存在,可以提高所得聚合物固体电解质的机械强度和热稳定性,也可解决染料敏化电池的封装问题。
实施例4
将0.005摩尔聚乙二醇单乙酰酯和0.3摩尔N-N二甲基甲酰胺溶液加入到250毫升的反应瓶中,密闭抽真空充氮气,反复三次。搅拌同时,加入0.01摩尔异氰酸酯丙基甲氧基硅烷,即得到前驱体。再将0.01摩尔钛酸丁酯滴入反应瓶中,搅拌3-6小时,在溶液中混合均匀。滴加入0.5%wt盐酸溶液(2.5摩尔/升),使钛酸丁酯水解形成无机二氧化钛溶胶粒子。加入碘化锂,碘,乙腈,控制其浓度为1.0摩尔/升和0.1摩尔/升。继续反应12小时,使二氧化钛溶胶粒子凝胶化,同时使氧化还原电解质溶解并混合均匀,无机溶胶粒子逐渐凝胶化,即可得到均匀透明的固体电解质,此固体电解质含有染料敏化电池所需的I-和I3 -离子。用作染料电池时,可以有效解决封装问题。
本发明所述的聚合物固体电解质及其制备方法,具有合成工艺简单,所制备得到的产物实用性强等优点。无机材料的加入,可以提高电解质的热稳定性,同时,由于无机材料是原位均匀掺杂,其热稳定性的效果更好。这类电解质用于染料敏化电池,可以很好的解决电解质的热稳定性问题,长期的稳定性问题,染料敏化电池的封装问题。
Claims (18)
1.一种用于染料敏化电池的聚合物固体电解质,包括聚合物基体,氧化还原电对,其特征在于,包括含有异氰酸功能基团以及水解后可以与无机溶胶粒子络合的功能性基团的硅烷偶联剂以及水解后产生无机溶胶粒子的金属烷氧基化合物,所述无机溶胶粒子通过溶胶凝胶原位复合与聚合物基体交联在一起。
2.根据权利要求1所述的用于染料敏化电池的聚合物固体电解质,其特征在于,所述氧化还原电对是I-/I3 -。
3.根据权利要求1所述的用于染料敏化电池的聚合物固体电解质,其特征在于,金属烷氧基化合物是正硅酸乙酯或正硅酸甲酯或钛酸丁酯。
4.根据权利要求1所述的用于染料敏化电池的聚合物固体电解质,其特征在于,所述聚合物基体是聚乙二醇或聚丙二醇或它们的单取代衍生物。
5.根据权利要求4所述的用于染料敏化电池的聚合物固体电解质,其特征在于,所述聚乙二醇的单取代衍生物是聚乙二醇单甲醚或聚乙二醇单乙酰酯。
6.根据权利要求4所述的用于染料敏化电池的聚合物固体电解质,其特征在于,所述聚丙二醇的单取代衍生物是聚丙二醇单甲醚。
7.根据权利要求1至6任一项所述的用于染料敏化电池的聚合物固体电解质,其特征在于,所述硅烷偶联剂含有的水解后可以与无机溶胶粒子络合的功能性基团是甲氧基或乙氧基。
8.一种聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,包括如下列步骤:
(1)以聚合物基体和含有异氰酸功能基团以及水解后可以与无机粒子络合的功能性基团的硅烷偶联剂为原料,N-N-二甲基甲酰胺为溶剂,在室温下搅拌,得到前驱体;
(2)加入金属烷氧基化合物,室温下搅拌,在酸性条件下使前驱体和金属烷氧基化合物水解,产生的无机溶胶粒子与聚合物基体交联;
(3)在金属烷氧基化合物呈溶胶状态时,加入碘化锂,碘,乙腈,室温下通过磁力搅拌,把溶液混合均匀;
(4)无机溶胶粒子完成凝胶过程后即制备出聚合物固体电解质。
9.根据权利要求8所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述聚合物基体和硅烷偶联剂的配比是1:1至1:2。
10.根据权利要求8所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述碘化锂,碘形成氧化还原电对I-和I3 -,其中I-和I3 -摩尔浓度分别为1.0-3.0摩尔/升和0.1-0.3摩尔/升。
11.根据权利要求8所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,所述硅烷偶联剂含有水解后可以与无机溶胶粒子络合的功能性基团是甲氧基或乙氧基。
12.根据权利要求8所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,所述的金属烷氧基化合物是正硅酸乙酯或正硅酸甲酯或钛酸丁酯。
13.根据权利要求8所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,所述聚合物基体是聚乙二醇或聚丙二醇或它们的单取代衍生物。
14.根据权利要求13所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,所述聚乙二醇的单取代衍生物是聚乙二醇单甲醚或聚乙二醇单乙酰酯。
15.根据权利要求13所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,所述聚丙二醇的单取代衍生物是聚丙二醇单甲醚。
16.根据权利要求8至15任一项所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的室温下搅拌时间为8~48小时。
17.根据权利要求8至15任一项所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中的室温下搅拌时间为3~6小时。
18.根据权利要求8至15任一项所述的聚合物固体电解质的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中的磁力搅拌的时间为3-24小时。
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