CN103680965A - 聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用 - Google Patents

聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用 Download PDF

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周明杰
刘大喜
王要兵
钟辉
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Abstract

本发明涉及一种聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质包括聚氯乙烯基凝胶聚合物膜和离子液体电解液，离子液体电解液均匀分散在聚氯乙烯基凝胶聚合物膜中。该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有优良的电化学性能，安全性好且环境友好，并能用于制造超级电容器。此外，本发明还涉及一种聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法和使用该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的超级电容器。

Description

聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及凝胶聚合物电解质领域，特别是涉及一种聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用。
背景技术
超级电容器是一种介于充电电池和电容器之间的新型能源器件，具有体积小、容量大、充电速度快、循环寿命长、放电效率高、工作温度范围宽、可靠性好、无污染免维护等优点，可以作为一种新型、高效、实用的能量储存装置，因而广泛应用于军事、移动通讯、计算机以及电动汽车的混合电源领域。
超级电容器工作的电解质分为水系电解液和有机液体电解液。水系电解液的分解电压低，因而研究较少。有机液体电解液虽然具有电导率高的优点，但是有机液体电解液中的有机溶剂易燃、易挥发，在充放电过程中释放出可燃气体，特别是在某些非常规工作条件下（如大功率充放电、过充过放等）产生大量热会加速气体的产生，导致电池内压增高，气体泄漏，甚至起火爆炸，因而存在严重的安全隐患。
发明内容
基于此，有必要提供一种安全性好的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
一种聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质，包括聚氯乙烯基凝胶聚合物膜和均匀分散在所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜中的离子液体电解液，其中，所述离子液体电解液为N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液或N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液。
在其中一个实施例中，所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜的厚度为0.1~0.3mm。
该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质中离子液体电解液均匀分散在聚氯乙烯基凝胶聚合物膜中，从而克服了传统的有机液体电解液因有机溶剂挥发和漏液而存在安全隐患和环境污染的问题；同时聚氯乙烯基凝胶聚合物膜对离子液体电解液的吸收量大，从而该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有较高电导率，安装在超级电容器上，超级电容器的比电容也较高。因此，该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有优良的电化学性能，安全性好且环境友好。
一种聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：
按照聚氯乙烯与有机溶剂的质量比为1:12~1:4的比例将所述聚氯乙烯溶于有机溶剂中，搅拌均匀，得到聚氯乙烯聚合物溶液；
采用电纺丝法将所述聚氯乙烯聚合物溶液喷射在基体膜上，真空干燥后得到聚氯乙烯基凝胶聚合物膜；
将所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜浸泡在离子液体电解液中，其中，所述离子液体电解液为N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液或N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液；
将离子液体电解液浸泡处理后的所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜取出，并去除所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液，即得到所述聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
在其中一个实施例中，所述聚氯乙烯的分子量为50000~120000。
在其中一个实施例中，所述有机溶剂为环己酮、二氯乙烷或四氢呋喃。
在其中一个实施例中，所述离子液体电解液的浓度为0.5~1.5mol/L。
在其中一个实施例中，还包括在离子液体电解液浸泡处理之前将所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜裁剪成圆片的步骤。
在其中一个实施例中，所述圆片的直径为12mm。
该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，通过将离子液体电解液与电纺丝法制备得到的聚氯乙烯基凝胶聚合物膜复合，从而得到聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。上述方法工艺简单、制备得到的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有优良的电化学性能，能应用于超级电容器中。
如一种超级电容器，包括正极片、负极片和介于所述正极片和所述负极片之间的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质；所述聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质包括聚氯乙烯基凝胶聚合物膜和均匀分散在所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜中的离子液体电解液，其中，所述离子液体电解液为N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液或N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液。
在其中一个实施例中，所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜的厚度为0.1~0.3mm。
该超级电容器采用聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质替代传统的有机液体电解液，克服了有机液体电解液因有机溶剂挥发和漏液而存在安全隐患和环境污染的问题；同时聚氯乙烯基凝胶聚合物膜对离子液体电解液的吸收量大，从而该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有较高电导率，超级电容器的比电容也较高。
附图说明
图1为一实施方式的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用进行进一步的说明。
一实施方式的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质，包括聚氯乙烯基凝胶聚合物膜和离子液体电解液。离子液体电解液均匀分散在聚氯乙烯基凝胶聚合物膜中。其中，离子液体电解液为N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液或N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液。聚氯乙烯基凝胶聚合物膜的厚度为0.1~0.3mm。
上述聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的离子液体电解液均匀分散在聚氯乙烯基凝胶聚合物膜中，从而克服了传统的有机液体电解液因有机溶剂挥发和漏液而存在安全隐患和环境污染的问题；同时聚氯乙烯基凝胶聚合物膜对离子液体电解液的吸收量大，从而该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有高电导率。因此，该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有优良的电化学性能，安全性好且环境友好。
此外，在本实施方式中还提供一种聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S110，按照聚氯乙烯与有机溶剂的质量比为1:12~1:4的比例将聚氯乙烯溶于有机溶剂中，于30~50℃下搅拌均匀，得到聚氯乙烯聚合物溶液。
其中，聚氯乙烯的分子量为50000~120000。
有机溶剂为环己酮、二氯乙烷或四氢呋喃等。
步骤S120，采用电纺丝法将聚氯乙烯聚合物溶液喷射在基体膜上，于80~100℃的真空条件下干燥后得到聚氯乙烯基凝胶聚合物膜。
在本实施方式中，电纺丝过程中电纺机的型号为BGG4-21。采用电纺丝法将聚氯乙烯凝胶聚合物喷射在基体膜的过程中，电纺机的工作参数为：喷丝头与基体膜间的距离为15cm，纺丝电压为12KV，聚氯乙烯凝胶聚合物的流量为0.5-2.0mL/h。
在本实施方式中，真空条件为0.01MPa真空条件，当然在实际应用中，真空度越高越好。
为方便后续聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的应用，在得到聚氯乙烯基凝胶聚合物膜之后，可以将聚氯乙烯基凝胶聚合物膜裁剪成圆片。圆片的大小可以根据实际应用来确定。在本实施方式中圆片的直径为12mm。
步骤S130，将聚氯乙烯基凝胶聚合物膜浸泡在离子液体电解液中。
其中，离子液体电解液为浓度为0.5~1.5mol/L的N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液或N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液。
步骤S140，将离子液体浸泡处理后的聚氯乙烯基凝胶聚合物膜取出，并去除聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液，即得到聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
在本实施方式中，采用滤纸吸干聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液。可以理解除了滤纸外，还可以采用其他的材料来吸干离子液体电解液。
上述聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，通过将离子液体电解液与电纺法制备得到的聚氯乙烯基凝胶聚合物膜复合，从而得到聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。上述方法工艺简单、制备得到的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有优良的电化学性能，能应用于超级电容器中。
此外，在本实施方式中还提供一种超级电容器。该超级电容器包括正极片、负极片和介于正极片和负极之间的上述聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
在本实施方式中，超级电容器的制备过程具体为：将厚度为0.1~0.3mm的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质膜置于正极片与负极片之间，于冲压机上封口，即制成超级电容器。
正极片与负极片可以是石墨烯材质的或活性炭材质的，也可以是其他任意合理的材质。
上述超级电容器采用聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质替代传统的有机液体电解液，克服了有机液体电解液因有机溶剂挥发和漏液而存在安全隐患和环境污染的问题；同时聚氯乙烯基凝胶聚合物膜对离子液体电解液的吸收量大，从而该聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质具有较高电导率，超级电容器的比电容也较高。
下面结合具体实施例来说明聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用，以及其性能等方面的测试。
实施例1
将10g分子量为80000的聚氯乙烯溶于90g环己酮中，于50℃下搅拌均匀，得到聚氯乙烯溶液。
采用电纺丝法将聚氯乙烯聚合物溶液喷射在基体膜上，控制沉积在基体膜上的聚氯乙烯凝胶聚合物膜的厚度为0.20mm，然后将聚氯乙烯凝胶聚合物膜裁剪成直径为12mm的圆片，并将得到的圆片在100℃的0.01MPa真空条件下干燥36h。其中，所用电纺丝机的型号为BGG4-21，电纺丝机的工作参数为：喷丝头与基体膜间的距离为15cm，纺丝电压为12KV，聚氯乙烯凝胶聚合物的流量为1.0mL/h。
将上述真空干燥处理后的圆片浸泡在浓度为1.2mol/L的N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液中30min；取出浸泡后的聚氯乙烯基凝胶聚合物膜，用滤纸吸干聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液，即得到聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
实施例2
将10g分子量为50000的聚氯乙烯溶于40g四氢呋喃中，于40℃下搅拌均匀，得到聚氯乙烯溶液。
采用电纺丝法将聚氯乙烯聚合物溶液喷射在基体膜上，控制沉积在基体膜上的聚氯乙烯凝胶聚合物膜的厚度为0.10mm，然后将聚氯乙烯凝胶聚合物膜裁剪成直径为12mm的圆片，并将得到的圆片在80℃的0.01MPa真空条件下干燥12h。其中，所用电纺丝机的型号为BGG4-21，电纺丝机的工作参数为：喷丝头与基体膜间的距离为15cm，纺丝电压为12KV，聚氯乙烯凝胶聚合物的流量为0.5mL/h。
将上述真空干燥处理后的圆片浸泡在浓度为0.5mol/L的N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液中60min；取出浸泡后的聚氯乙烯基凝胶聚合物膜，用滤纸吸干聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液，即得到聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
实施例3
将10g分子量为120000的聚氯乙烯溶于120g四氢呋喃中，于45℃下搅拌均匀，得到聚氯乙烯溶液。
采用电纺丝法将聚氯乙烯聚合物溶液喷射在基体膜上，控制沉积在基体膜上的聚氯乙烯凝胶聚合物膜的厚度为0.15mm，然后将聚氯乙烯凝胶聚合物膜裁剪成直径为12mm的圆片，并将得到的圆片在80℃的0.01MPa真空条件下干燥24h。其中，所用电纺丝机的型号为BGG4-21，电纺丝机的工作参数为：喷丝头与基体膜间的距离为15cm，纺丝电压为12KV，聚氯乙烯凝胶聚合物的流量为1.5mL/h。
将上述真空干燥处理后的圆片浸泡在浓度为0.9mol/L的N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液中40min；取出浸泡后的聚氯乙烯基凝胶聚合物膜，用滤纸吸干聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液，即得到聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
实施例4
将10g分子量为100000的聚氯乙烯溶于60g二氯乙烷中，于30℃下搅拌均匀，得到聚氯乙烯溶液。
采用电纺丝法将聚氯乙烯聚合物溶液喷射在基体膜上，控制沉积在基体膜上的聚氯乙烯凝胶聚合物膜的厚度为0.30mm，然后将聚氯乙烯凝胶聚合物膜裁剪成直径为12mm的圆片，并将得到的圆片在90℃的0.01MPa真空条件下干燥48h。其中，所用电纺丝机的型号为BGG4-21，电纺丝机的工作参数为：喷丝头与基体膜间的距离为15cm，纺丝电压为12KV，聚氯乙烯凝胶聚合物的流量为2.0mL/h。
将上述真空干燥处理后的圆片浸泡在浓度为1.5mol/L的N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液中10min；取出浸泡后的聚氯乙烯基凝胶聚合物膜，用滤纸吸干聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液，即得到聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
对比例
将10g分子量为80000的聚氯乙烯溶于90g环己酮中，于50℃下搅拌均匀，得到均匀的浆料。将得到的浆料均匀地涂在洁净的玻璃板上，得到厚度约0.2mm的聚氯乙烯凝胶聚合物膜，然后将聚氯乙烯凝胶聚合物膜裁剪成直径为12mm的圆片，并在100℃、0.01MPa真空下干燥36h。
将上述真空干燥处理后的圆片浸泡在浓度为1.2mol/L的N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液中30min；取出浸泡后的聚氯乙烯基凝胶聚合物膜，用滤纸吸干聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液，即得到聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
实施例5
将上述各实施例和对比例制得的聚氯乙烯基凝胶电解质组装成超级电容器：
称取9.0g活性炭纤维(比表面积约为2000m2/g)、0.3g乙炔黑和0.6g聚偏氟乙烯（PVDF），并加入60g N-甲基吡咯烷酮（NMP），充分搅拌成混合均匀的浆料。
将浆料刮涂于经乙醇清洗过的铝箔上，在0.01MPa的真空下80℃干燥至恒重，并于12MPa压力下辊压制成活性炭电极，并切成电极片。
在充满氩气的手套箱中，将上述制备好了聚氯乙烯基聚合物电解质置于两活性炭电极片之间，在冲压机上封口制成扣式电容器。
利用充放电测试仪对本实施例中组装好的超级电容器进行恒流充放电测试，在0~2.7V的电化学窗口内，以0.5A/g的电流测得比电容数据如下表1：
表1
  实施例   1   2   3   4   对比例
  比电容(F/g)   135   113   120   129   105
从表中数据可以看出，上述各实施例所制得的凝胶聚合物电解质可适合用于超级电容器的电解液，且在2.7V的电化学窗口内具有较好电容特性。另外，通过电纺丝法制备的凝胶聚合物电解质和对比例中的浇铸成膜法相比，其组装好的电容器具有更好的比电容。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质，其特征在于，包括聚氯乙烯基凝胶聚合物膜和均匀分散在所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜中的离子液体电解液，其中，所述离子液体电解液为N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液或N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液。
2.根据权利要求1所述的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质，其特征在于，所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜的厚度为0.1~0.3mm。
3.一种聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按照聚氯乙烯与有机溶剂的质量比为1:12~1:4的比例将所述聚氯乙烯溶于有机溶剂中，搅拌均匀，得到聚氯乙烯聚合物溶液；
采用电纺丝法将所述聚氯乙烯聚合物溶液喷射在基体膜上，真空干燥后得到聚氯乙烯基凝胶聚合物膜；
将所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜浸泡在离子液体电解液中，其中，所述离子液体电解液为N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液或N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液；
将离子液体电解液浸泡处理后的所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜取出，并去除所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜表面的离子液体电解液，即得到所述聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质。
4.根据权利要求3所述的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述聚氯乙烯的分子量为50000~120000。
5.根据权利要求3所述的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为环己酮、二氯乙烷或四氢呋喃。
6.根据权利要求3所述的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述离子液体电解液的浓度为0.5~1.5mol/L。
7.根据权利要求3所述的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，还包括在离子液体电解液浸泡处理之前将所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜裁剪成圆片的步骤。
8.根据权利要求7所述的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述圆片的直径为12mm。
9.一种超级电容器，其特征在于，包括正极片、负极片和介于所述正极片和所述负极片之间的聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质；所述聚氯乙烯基凝胶聚合物电解质包括聚氯乙烯基凝胶聚合物膜和均匀分散在所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜中的离子液体电解液，其中，所述离子液体电解液为N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的乙腈溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液、N-丁基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液或N-甲氧基乙基-N-甲基吗啉四氟硼酸盐的γ-丁内酯溶液。
10.根据权利要求9所述的超级电容器，其特征在于，所述聚氯乙烯基凝胶聚合物膜的厚度为0.1~0.3mm。
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CN108622408A (zh) * 2018-05-14 2018-10-09 西安交通大学 PVC-gel薄膜制备方法及PVC-gel薄膜扑翼飞行机构及其制备方法

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