CN111875790A - 侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物、固态聚合物电解质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物及其制备方法、一种固态聚合物电解质及其制备方法。所述聚合物的主链为含有聚芳醚基的聚合物结构,侧链为聚乙二醇结构,所述聚芳醚基聚合物的结构式如下:
Figure DDA0002636786710000011
所述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备包括:步骤(1):制备含聚芳醚基的聚合物;步骤(2):将所述含聚芳醚基的聚合物与聚乙二醇溶解于溶剂中,之后加入催化剂,待所述催化剂溶解后,滴加偶联剂,接着在搅拌下进行反应,即得。本发明所制备的全固态聚合物电解质,具有良好的离子传导性,同时还具有优异的耐热耐高温性能和机械强度。

Description

侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物、固态聚合物电解质 及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物电解质制备技术领域,具体涉及一种具有高机械强度和耐热性的聚芳醚基固态聚合物电解质及其制备方法。
背景技术
随着全球环境污染和能源危机的不断加剧,清洁能源技术的发展受到了广泛的关注,同时促进了电化学储能器件的发展。电解质作为电化学储能器件中重要的组成部分,对储能器件的安全性等方面起着重要的作用。
目前储能器件的电解质主要是液态电解质,但是液态电解质存在着许多问题。比如,在组装和使用过程中的漏液问题等,同时由于液态电解质主要以有机电解液为主,在高温或异常使用过程中可能会引起电解液的燃烧而出现安全问题。同时,液态电解质限制了储能器件的应用环境,在一些特殊的领域或极端环境中,比如石油勘探、航空航天等领域,液态电解质无法满足应用条件。固态聚合物电解质,在安全等方面优于液态电解液。但是,目前报道的聚合物电解质,无法在机械强度和温度使用范围上同时满足使用条件,因此,新型的具有高机械强度和耐热性的聚芳醚基固态聚合物电解质的开发越来越引起人们的重视。
发明内容
针对现有技术存在的不足及缺陷,本发明的目的之一在于提供一种侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物及其制备方法。
本发明的目的之二在于提供一种聚合物固态电解质及其制备方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
一种侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物,所述聚合物的主链为含有聚芳醚基的聚合物结构,侧链为聚乙二醇结构,所述聚芳醚基聚合物的结构式如下:
Figure BDA0002636786690000021
其中,Ar为
Figure BDA0002636786690000022
Figure BDA0002636786690000023
Figure BDA0002636786690000024
中的至少一种;
h为聚乙二醇的重复单元数,n与m表示聚合度,h为4~400,0<n/(m+n)<1,0<m/(m+n)<1;
所述聚芳醚基聚合物的5%热失重温度大于400℃,玻璃化转变温度为150~310℃,数均分子量为40000~70000。
一种上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法,包括:
步骤(1):将含双氟苯基结构的单体
Figure BDA0002636786690000025
双酚酸、含二氮杂萘酮结构的酚单体和成盐剂,加入到反应溶剂中,之后加入带水剂,得到混合物,将所述混合物进行搅拌,待固体物质溶解后,升温进行回流;之后除去带水剂,升温进行反应,得到聚合物溶液;将所述聚合物溶液倒入水中析出,得到聚合物细条,之后将所述聚合物细条水洗、干燥得到含聚芳醚基的聚合物;
步骤(2):将所述含聚芳醚基的聚合物与聚乙二醇溶解于溶剂中,之后加入催化剂,待所述催化剂溶解后,滴加偶联剂,接着在搅拌下进行反应,得到所述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,所述制备方法还包括步骤(3):将步骤(2)所得到的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物进行水洗、干燥;优选地,所述干燥为真空干燥,所述干燥的温度为80~90℃,时间为10~12h。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种
Figure BDA0002636786690000031
Figure BDA0002636786690000032
中的至少一种;
所述双酚酸的结构为
Figure BDA0002636786690000033
含二氮杂萘酮结构的酚单体的结构为
Figure BDA0002636786690000034
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(1)中,所述
Figure BDA0002636786690000035
为4,4′-二氟二苯砜;优选地,所述含二氮杂萘酮结构的酚单体、4,4′-二氟二苯砜、双酚酸的摩尔比为(1~9):10:(9~1),比如1:10:9,2:10:8,3:10:7,4:10:6,5:10:5,6:10:4,7:10:3,8:10:2,9:10:1。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(1)中,所述成盐剂为碳酸钾和/或碳酸钠。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(1)中,所述反应溶剂为环丁砜、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(1)中,所述混合物中固体物质的质量含量范围是20%~60%。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(1)中,所述带水剂为甲苯;优选地,所述带水剂的加入量为所述反应溶剂体积的1/4~1/2。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(1)中,所述回流的温度为120℃~150℃,时间为1~4小时,回流过程中,碳酸钾与二氮杂萘酮结构的酚单体、双酚酸反应,生成水,通过所述回流可除去反应生成的水。在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(1)中,所述反应的温度为160℃~190℃,时间为6~9小时。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(1)中,所述水洗为:用去离子水洗涤3~10次。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(2)中,所述聚乙二醇的数均分子量为600-8000;优选地,所述聚乙二醇的数均分子量为600、800、1000、2000、5000、6000和8000中的至少一种。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(2)中,所述聚乙二醇中的一个羟基端被烷基封端,另一个为自由羟基端;
更优选地,所述聚乙二醇的结构为
Figure BDA0002636786690000041
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(2)中,所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃中的至少一种。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(2)中,所述催化剂为DMAP,优选地,所述DMAP与所述含聚芳醚基的聚合物中羧基的摩尔比为0.1~0.5。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(2)中,所述偶联剂为EDC,优选地,所述EDC与所述含聚芳醚基的聚合物中羧基的摩尔比为0.5~2.5。
在上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法中,作为一种优选实施方式,在所述步骤(2)中,所述反应的时间为24~96h。若反应时间过短则聚合反应不完全,单体等小分子量的杂质比较多,产率比较低;若时间过长则会出现交联现象,导致聚合失败。
所述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的合成反应式如下:
Figure BDA0002636786690000051
其中,Ar为
Figure BDA0002636786690000052
Figure BDA0002636786690000061
Figure BDA0002636786690000062
中的至少一种;本发明选取的含氟基单体是能够成功的与其余单体合成聚合物的,并且所选单体都带有为刚性环,能够提供一定的机械性能;且本发明的含氟基单体在进行聚合物和接枝之后得到的接枝聚合物都具有导离子功能。能够作为固态电解质膜使用,故而选择了所列出的上述单体。
一种固态聚合物电解质,所述固态聚合物电解质由上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物制备而成。
一种固态聚合物电解质的制备方法,包括:
采用浸没相转化法或者溶剂蒸发法将上述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物制备为微孔膜,之后将锂盐溶液浸入所述微孔膜的孔中制备得到所述固态聚合物电解质。
本发明与现有技术相比具有如下积极效果:
(1)本发明是由主链为聚芳醚结构的包含二氮杂萘酮结构单体及含醚结构的单体,侧链含有聚乙二醇结构的聚合物制备而成,同时在其中添加锂盐得到的聚合物固态电解质。聚乙二醇侧链的引入为锂离子在聚合物电解质中的传输提供了保障,聚芳醚基主链结构为聚合物电解质提供了优异的耐热性能和机械性能。
本发明所述的聚合物固态电解质的制备方法简便,聚合物主链中引入了刚性苯环结构,侧链引入了聚乙二醇结构,有效降低了聚乙二醇的结晶性,增强了锂盐的传导性能,同时提升了聚合物的机械性能和热稳定性能;其中,相对聚乙二醇结构位于主链的情况而言,本发明将聚乙二醇放置于侧链,可以加强侧链链段运动能力,提高离子电导率;同时,主链完全是刚性结构,可以保证聚合物的机械性能和热稳定性能。
(2)本发明所制备的全固态聚合物电解质,制备简单,易于控制,具有良好的离子传导性,同时还具有优异的耐热耐高温性能和机械强度。本发明改善了传统聚合物电解质在室温下电导率较低的缺点,保证了以此全固态聚合物电解质组装的电化学器件,如锂离子电池、太阳能电池、超级电容器等在室温下能够安全高效的工作。
(3)本结构中的二氮杂萘酮,含双氟苯基结构的单体中砜基等的刚性环结构可以提升机械性能和热稳定性能,且二氮杂萘酮为非共平面结构可以提升聚合物的溶解性;另外,侧链的柔性PEG结构可以提升此聚合物所制备的固态电解质的离子导电性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的侧链含有聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物(侧链含聚乙二醇(Mn=1000)结构的聚亚芳基醚砜-聚乙二醇聚合物)的核磁谱图,该图说明制备的聚亚芳基醚砜-聚乙二醇聚合物的结构。
图2为本发明实施例1和实施例2所制备的聚合物的TGA曲线。
图3为本发明实施例1和实施例2所制备的聚合物的DSC曲线。
图4为本发明实施例1和实施例2所制备的聚合物的XRD曲线。
图5为本发明实施例1所制备的固态电解质1和固态电解质2和实施例2所制备的固态电解质3和4的室温离子传导率(图5中右下角的图为横坐标为0~10处的局部放大图)。
具体实施方式
为了突出表达本发明的目的、技术方案及优点,下面结合实施例对本发明进一步说明,示例通过本发明的解释方式表述而非限制本发明。本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式,还包括各具体实施方式之间的任意组合。
实施例1聚乙二醇1000接枝聚芳醚基聚合物PAES7030-g-PEG的制备
1)在100mL、浓度为98%的环丁砜溶剂中,加入0.07mol、0.1mol和0.03mol摩尔的二氮杂萘酮结构的酚单体、4,4′-二氟二苯砜、双酚酸和4g碳酸钾。然后加入带水剂甲苯50mL,反应物经充分搅拌溶解后升温至130℃回流4小时,以保证完全除去成盐反应生成的水,后将甲苯脱除,最后将体系升温至180℃反应6小时,得到聚合物溶液。
2)将上述制备的聚合物溶液倒入去离子水中析出,得到柔韧的聚合物细条,用去离子水洗涤3次,以除去残余反应溶剂和未参与反应的小分子物质;抽滤后得到产物置于真空烘箱中100℃真空干燥24h,从而得到主链含聚芳醚基的聚合物,其中羧基的摩尔百分比约为35%。
3)将所制备的7.2×10-4mol主链含聚芳醚基的聚合物和4.5×10-4mol的聚乙二醇1000一起溶解于四氢呋喃中,加入0.1倍的DMAP(即DMAP与所述含聚芳醚基的聚合物中羧基的摩尔比为0.1),20~60℃溶解完全,后滴加1倍的EDC(即EDC与所述含聚芳醚基的聚合物中羧基的摩尔比为1),室温搅拌24~96h,得到侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物。
4)将所制备的聚合物溶液沉入去离子水中,煮沸三次,除去未反应的小分子物质和溶剂,后将聚合物进行干燥处理,得到干燥的侧链含有聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物。
该聚合物的结构式如下:
Figure BDA0002636786690000081
;其中聚合物的数均分子量为54000。
实施例2聚乙二醇1000接枝聚芳醚基聚合物PAES9010-g-PEG的制备
1)在100mL、浓度为98%的环丁砜溶剂中,加入0.09mol、0.1mol和0.01mol摩尔的二氮杂萘酮结构的酚单体、4,4′-二氟二苯砜、双酚酸和4g碳酸钾。然后加入带水剂甲苯50mL,反应物经充分搅拌溶解后升温至130℃回流4小时,以保证完全除去成盐反应生成的水,后将甲苯脱除,最后将体系升温至180℃反应6小时,得到聚合物溶液。
2)将上述制备的聚合物溶液倒入去离子水中析出,得到柔韧的聚合物细条,用去离子水洗涤3次,以除去残余反应溶剂和未参与反应的小分子物质;抽滤后得到产物置于真空烘箱中100℃真空干燥24h,从而得到主链含聚芳醚基的聚合物,其中羧基的摩尔百分比约为35%。
3)将所制备的1.0×10-3mol主链含聚芳醚基的聚合物和4.5×10-4mol的聚乙二醇1000一起溶解于四氢呋喃中,加入0.1倍的DMAP(即DMAP与所述含聚芳醚基的聚合物中羧基的摩尔比为0.1),20~60℃溶解完全,后滴加1倍的EDC(即EDC与所述含聚芳醚基的聚合物中羧基的摩尔比为1),室温搅拌24~96h,得到侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物。
4)将所制备的聚合物溶液沉入去离子水中,煮沸三次,除去未反应的小分子物质和溶剂,后将聚合物进行干燥处理,得到干燥的侧链含有聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物。
该聚合物的结构式如下:
Figure BDA0002636786690000091
;其中聚合物的数均分子量为65000。
图1为实施例1制备的侧链含有聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的核磁谱图,其中,化学位移7-7.25ppm对应的分别是5和6位置的氢,7.75-8ppm对应的分别是7、8、9和10处的氢,2ppm和2.5ppm分别对应的是17和18处的氢,2.75ppm、3.75ppm和4.5ppm处分别对应聚乙二醇链段中19、20和21处的氢;图1表明了含有聚乙二醇结构的聚芳基醚基聚合物被成功合成。
图2为实施例1和实施例2所制备的聚合物的TGA曲线,该图说明制备的实施例1和实施例2的5%分解温度分别为382℃和392℃,具有优异的热稳定性能。
图3为实施例1和实施例2所制备的聚合物的DSC曲线,该图说明所制备的聚合物的玻璃化转变温度为194℃~230℃。
图4为实施例1和实施例2所制备的聚合物的XRD曲线,该图说明所制备的聚合物呈现无定型态,没有结晶行为。
相对于传统的聚合物,例如英国ICI公司1982年开发研究的一种聚醚醚酮(PEEK)在室温条件下只能溶解于浓硫酸,而本发明所述聚合物可溶解于NMP、DMAc及氯仿,具有良好的溶解性。
实施例3:采用溶剂蒸发法制备固态聚合物电解质1和2
1)将实施例1和实施例2中所制备的干燥的侧链含有聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物0.8g分别溶解于8mL溶剂环丁砜中,室温下搅拌7h,制得均一、透明的混合溶液。
2)将步骤1)制好的溶液倾倒在8×8cm水平玻璃板上成膜,30~60℃下真空干燥72h以除去溶剂,得到聚合物固态电解质膜,之后将聚合物固态电解质膜浸入到10wt%浓度的锂盐溶液中,取出膜分别得到全固态聚合物电解质1和2。其中,所得聚合物固态电解质膜的拉伸强度为40MPa和35MPa。
实施例4:采用浸没相转化法制备固态聚合物电解质3和4的制备。
1)将实施例1和2中所制聚合物0.8g溶解于8mL溶剂环丁砜中,室温下搅拌7h,制得均一、透明的混合溶液。
2)在步骤1)制好的溶液倾倒在8×8cm水平玻璃板上成膜,0~25℃下将涂覆有聚合物溶液的玻璃板浸没在去离子水中72h以除去溶剂,之后在60~80℃下真空干燥72h以除去水分,得到干燥的聚合物固态电解质膜,之后将聚合物固态电解质膜浸入到10wt%浓度的锂盐溶液中,分别得到全固态聚合物电解质3和4。
图5为实施例1和实施例2所制备的固态电解质1、固态电解质2、固态电解质3和固态电解质4的室温离子传导率,其中,根据电化学阻抗谱测试曲线及对应的计算公式求得:固态电解质1、2、3和4的室温电导率分别为:2.5×10-3S cm-1、2.9×10-3S cm-1、4.0×10-3Scm-1和4.4×10-3S cm-1,说明所制备的固态电解质具有良好的离子导电性能;其中,离子电导率σ的计算公式为
Figure BDA0002636786690000101
其中Rb(ohm)为电解质的本体电阻,L(cm)为电解质膜的厚度,S(cm2)为电解质膜与不锈钢的有效接触面积。
本发明所制备的是侧链含有PEO的接枝聚合物,是基于PEO的导电性。另外Wang等人公开了以PEO为主链聚醚酮基聚合物【参见:Ruiqi Na,PengfeiHuo,XingruiZhang,etal.Aflexible solid-state supercapacitor based on a poly(aryl ether ketone)-poly(ethylene glycol)copolymer solid polymer electrolyte for high temperatureapplications[J].RSC Adv.,2016,6,65186.】,其中所得PEO位于主链的聚合物电解质在30℃时的离子电导率为2.6×10-4S/cm,要小于本专利中PEO位于侧链的电解质的离子电导率。

Claims (10)

1.一种侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物,其特征在于,所述聚合物的主链为含有聚芳醚基的聚合物结构,侧链为聚乙二醇结构,所述聚芳醚基聚合物的结构式如下:
Figure FDA0002636786680000011
其中,Ar为
Figure FDA0002636786680000012
Figure FDA0002636786680000013
Figure FDA0002636786680000014
中的至少一种;
h为聚乙二醇的重复单元数,n与m表示聚合度,h为4~400,0<n/(m+n)<1,0<m/(m+n)<1。
2.根据权利要求1所述的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物,其特征在于,所述聚芳醚基聚合物的5%热失重温度大于400℃,玻璃化转变温度为150~310℃,数均分子量为40000~70000。
3.一种权利要求1-2任一项所述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法,其特征在于,包括:
步骤(1):将含双氟苯基结构的单体
Figure FDA0002636786680000015
双酚酸、含二氮杂萘酮结构的酚单体和成盐剂,加入到反应溶剂中,之后加入带水剂,得到混合物,将所述混合物进行搅拌,待固体物质溶解后,升温进行回流;之后除去带水剂,升温进行反应,得到聚合物溶液;将所述聚合物溶液倒入水中析出,得到聚合物细条,之后将所述聚合物细条水洗、干燥得到含聚芳醚基的聚合物;
步骤(2):将所述含聚芳醚基的聚合物与聚乙二醇溶解于溶剂中,之后加入催化剂,待所述催化剂溶解后,滴加偶联剂,接着在搅拌下进行反应,得到所述侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物。
4.根据权利要求3所述的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法,其特征在于,所述制备方法还包括步骤(3):将步骤(2)所得到的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物进行水洗、干燥;优选地,所述干燥为真空干燥,所述干燥的温度为80~90℃,时间为10~12h。
5.根据权利要求3所述的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法,其特征在于,在所述步骤(1)中,所述
Figure FDA0002636786680000021
中,Ar为
Figure FDA0002636786680000022
Figure FDA0002636786680000023
中的至少一种;
优选地,所述双酚酸的结构为
Figure FDA0002636786680000024
优选地,所述含二氮杂萘酮结构的酚单体的结构为
Figure FDA0002636786680000025
优选地,所述
Figure FDA0002636786680000031
为4,4′-二氟二苯砜;
优选地,所述含二氮杂萘酮结构的酚单体、4,4′-二氟二苯砜、双酚酸的摩尔比为(1~9):10:(9~1)。
6.根据权利要求3所述的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法,其特征在于,在所述步骤(1)中,所述成盐剂为碳酸钾和/或碳酸钠;
优选地,在所述步骤(1)中,所述反应溶剂为环丁砜、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种;
优选地,在所述步骤(1)中,所述混合物中固体物质的质量含量范围是20%~60%;
优选地,所述带水剂为甲苯;优选地,所述带水剂的加入量为所述反应溶剂体积的1/4~1/2;
优选地,所述回流的温度为120℃~150℃,时间为1~4小时;
优选地,在所述步骤(1)中,所述反应的温度为160℃~190℃,时间为6~9小时。
7.根据权利要求3所述的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法,其特征在于,在所述步骤(2)中,所述聚乙二醇的数均分子量为600-8000;优选地,所述聚乙二醇的数均分子量为600、800、1000、2000、5000、6000和8000中的至少一种;
优选地,在所述步骤(2)中,所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃中的至少一种;
优选地,所述催化剂为DMAP,更优选地,所述DMAP与所述含聚芳醚基的聚合物中羧基的摩尔比为0.1~0.5。
8.根据权利要求3所述的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物的制备方法,其特征在于,在所述步骤(2)中,所述偶联剂为EDC,优选地,所述EDC与所述含聚芳醚基的聚合物中羧基的摩尔比为0.5~2.5;
优选地,所述反应的时间为24~96h。
9.一种固态聚合物电解质,其特征在于,所述固态聚合物电解质由权利要求1-8中任一项所述的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物制备而成。
10.一种固态聚合物电解质的制备方法,其特征在于,包括:
采用浸没相转化法或者溶剂蒸发法将权利要求1-8中任一项所述的侧链为聚乙二醇结构的聚芳醚基聚合物制备为微孔膜,之后将锂盐溶液浸入所述微孔膜的孔中制备得到所述固态聚合物电解质。
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