CN112002562B - 一种具有离子通道的可自愈水凝胶电解质制备及在全固态超级电容器的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以聚乙烯醇为基底在室温下构筑离子通道的制备方法和其作为超级电容器固态电解质的应用。该材料以聚乙烯醇和核苷鸟嘌呤为主要原材料,同时加入硼酸与聚乙烯醇链交联,加入氢氧化电解液,在室温下自然聚合,形成凝胶。将该材料作为固态电解质应用在超级电容器中,具有离子导电率高、可弯折性好,自愈能力强等特点。所述材料制备方法简单,为广泛生产应用提供一种可能。
Description
【技术领域】
本发明属于凝胶电解质的制备领域,尤其涉及含有离子通道的自愈性水凝胶电解质的制备及其在超级电容器上的应用。
【背景技术】
超级电容器作为一种优异的储能器件,由于其功率密度高,充放电速度快以及循环稳定性好等优势在储能器件上独树一帜,结合了传统电池和传统电容器的优势,具有广阔的市场前景。可穿戴器件和便携电子产品的快速发展对超级电容器提出更多要求。超级电容器的电解质包括液态电解质和固态电解质两大类。其中由于液态电解质存在漏液危险以及电压范围不够宽等因素,严重限制了超级电容器的广泛应用。而固态电解质可以有效避免因压力、弯折等问题导致超级电容器无法正常工作的问题,在未来柔性可穿戴器件及人工智能领域有巨大发展前景。
水凝胶电解质是一种具有多功能结构的高分子聚合物,其保持着良好的骨架结构,锁水功能强大,能有效的防止漏液等不良情况的发生,安全系数高。然而目前报道的凝胶电解质大部分为基于高分子的聚合物凝胶,导电性较差。如果在凝胶电解质中引入离子通道,可以使离子在其内部结构中自由穿梭,提高离子导电率,可有效解决液体电解质和高分子电解质的问题,同时扩展超级电容器的实际应用。
鉴于以上原因,特提出本发明。
【发明内容】
针对现有技术的不足,本发明的目的之一是设计合成了一种新型具有离子通道的高分子-超分子水凝胶电解质。该水凝胶是一种基于聚乙烯醇-核苷鸟嘌呤的水凝胶电解质,其制备方法简单,利用聚乙烯醇的成凝特性,鸟嘌呤之间的氢键作用,G-四分体的堆叠作用,合成了一种具有离子通道结构的可自愈性水凝胶。
本发明的目的之二是提供一种所述的具有离子通道的可自愈水凝胶电解质的制备方法,其步骤如下:
1、首先将一定量的聚乙烯醇溶于水中加热使其溶解为澄清溶液,向其中逐滴滴加KOH溶液;
2、将适量的核苷鸟嘌呤与KOH和H3BO3混合溶于水中加热使其溶解完全;
3、将步骤2中所得的溶液趁热加入到步骤1所得的溶液中,混合后自然聚合即得到具有离子通道的可自愈水凝胶电解质。向其中引入鸟苷,四个鸟苷通过氢键形成G-四分体,平面的G-四分体通过堆积作用形成离子通道。将离子通道引入聚乙烯醇的凝胶中,可改善高分子凝胶的导电性差的问题,同时提具有自愈性。该电解质具有导电性好,可弯折性,自愈性等特点,在固态超级电容器中有巨大发展潜力。
所述步骤1的聚乙烯醇为0.15g,KOH的质量为0.6g,去离子水的总体积为4mL,加热温度为70℃~90℃。
所述步骤2的核苷鸟嘌呤质量为120-200mg,H3BO3质量为12.4mg,KOH质量为34mg,溶液体积为4mL。
本发明的目的之三是提供了一种所述的具有离子通道的可自愈凝胶作为超级电容器电解质的应用,
步骤一:活性物质为活性炭,导电剂为导电炭黑,粘结剂为聚四氟乙烯乳液,质量比为8:1:1。加入适量乙醇,超声30~60min后放入烘箱中干燥。以处理好的泡沫镍为集流体,将活性物质粘附在集流体上;
步骤二:将制备好的复合水凝胶电解质和活性电极材料采用面对面的形式组装成三明治状的全固态超级电容器。
与现有技术相比,本发明具有以下主要优点和有益效果:
1、本发明所制备的高分子-超分子凝胶电解质制备方法简单,成本低廉且环境友好,具有高分子水凝胶的力学性能,在弯折条件下仍然保持良好的凝胶状态。
2、本发明所制备的凝胶引入了核苷鸟嘌呤,鸟苷通过氢键形成的G-四分体,氢键的动态可逆性赋予了该凝胶优异的自愈性能。
3、G-四分体通过堆积作用形成离子通道,为凝胶提供了多孔结构,有助于导电离子自由穿梭,具有优异的导电性。因此利用该凝胶电解质制备的超级电容器具有良好的电化学性质,安全性能好,为下一步实现产业化打下良好的基础。
【附图说明】
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见的,下面描述中的附图仅仅是本发明中的一些实施例,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制备的具有离子通道复合水凝胶的扫描电镜图。
图2为对比例1制备的PVA基水凝胶的扫描电镜图。
图3为实施例1、对比例1制备的凝胶的阻抗电导率对比图。
图4为实施例1、2、3与对比例1中的固态超级电容器的比电容对比图。
图5为实施例1制备的固态超级电容器在不同角度的循环伏安特曲线。
图6为实施例1制备的凝胶在切割自愈前后的光学图像。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有的其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
【实施例1】
本实施例1所述的是具有离子通道的复合水凝胶电解质的制备方法及其超级电容器的制作,其步骤如下:
(1)复合水凝胶的制备
1、首先将0.15g聚乙烯醇溶于水中加热使其溶解为澄清溶液,向其中逐滴滴加0.6g KOH溶液,去离子水的总体积为4mL,加热温度为70℃~90℃。
2、将168mg核苷鸟嘌呤溶解在KOH和H3BO3的混合溶液中加热使其溶解完全,H3BO3质量为12.4mg,KOH质量为34mg,溶液体积为4mL。
3、将步骤2中所得的溶液趁热加入到步骤1所得的溶液中,混合后自然聚合即得到具有离子通道的可自愈水凝胶电解质,混合温度控制在70℃。
(2)全固态超级电容器器件的制备
活性物质为活性炭,导电剂为导电炭黑,粘结剂为聚四氟乙烯乳液,质量比为8:1:1。加入适量乙醇,超声30~60min后放入烘箱中干燥。以处理好的泡沫镍为集流体,将活性物质粘附在集流体上。
将制备好的复合水凝胶电解质和活性电极材料采用面对面的形式组装成三明治状的全固态超级电容器。
【实施例2】
本实施例与实施例1中的实验步骤基本相同,所不同的是在步骤2中核苷鸟嘌呤质量为120mg。
【实施例3】
本对比例与实施例1中的实验步骤基本相同,所不同的是在步骤2中核苷鸟嘌呤质量为200mg。
【对比例1】
(1)PVA水凝胶的制备
与实施例1的PVA水凝胶的制备步骤相同。将0.15g聚乙烯醇溶于水中加热使其溶解为澄清溶液,向其中逐滴滴加0.6g KOH溶液,水的总体积为4mL,加热温度为70℃~90℃,冷却至室温形成凝胶。
(2)全固态超级电容器器件的制备
本对比例与实施例1中的实验步骤基本相同,所不同的是在(2)中采用的凝胶为本对比例所合成的凝胶。
图1为实施例1中具有离子通道复合水凝胶的扫描电镜图,从图中可以看出是明显多孔结构,这些孔洞较大,为离子运动提供良好的通道,有利于离子的运输,提高电化学性能。
图2为对比例1中的PVA基水凝胶的扫描电镜图。从图中可以看出该凝胶是块状结构相比于实施例1中的扫描电镜图来说,该结构不利于离子传输,故其组装的超级电容器电化学性能低于实施例组装的超级电容器。
图3为实施例1、对比例1的阻抗电导率对比图,从图中可以看出实施例1在低频区的斜率较大,说明其阻抗较小,通过对二者的离子导电率进行计算得到,实施例1的离子导电率为16.2mS·cm-1,对比例的离子导电率为10.38mS·cm-1。说明通过引入核苷鸟嘌呤,有善的改善了凝胶的电阻,提高离子导电率,这正是得益于其构建的离子通道。
图4为实施例1、2、3与对比例1中的超级电容器在室温下的比电容对比图,在对其三者进行电化学测试,在相同的电流密度0.8A g-1下,实施例123均比对比例的比电容高,其中实施例1的比容量最大,为45.8F g-1。
图5为实施例1中的制备的凝胶做成的超级电容器器件在不同角度的循环伏安曲线,将超级电容器弯曲不同角度,通过循环伏安曲线可以看出变化不大,这说明实施例1制备的复合水凝胶的具有可弯折性,即使弯曲不同角度,其仍然能正常工作。
图6为对实施例1中制备的凝胶做成的超级电容器在切割前后的恒流充放电曲线,切割前后放电时间变化较小,说明自愈能力较强。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于聚乙烯醇-核苷鸟嘌呤的复合水凝胶电解质的制备方法,其特征在于该凝胶是一种高分子-超分子复合水凝胶,具有离子通道结构和可自愈性,所述的方法步骤如下:
(1)将一定量的聚乙烯醇溶于水中加热使其溶解为澄清溶液,向其中逐滴滴加KOH溶液;
(2)将适量的核苷鸟嘌呤溶解在KOH和H3BO3的混合溶液中加热使其溶解完全;
(3)将步骤(2)中所得的溶液趁热加入到步骤(1)所得的溶液中,混合后自然冷却即得到具有离子通道的可自愈水凝胶电解质。
2.根据权利要求1所述的基于聚乙烯醇-核苷鸟嘌呤的复合水凝胶电解质的制备方法,其特征在于,步骤(1)中聚乙烯醇和KOH的质量比为1:4,聚乙烯醇所占溶液的质量分数为3.75%,加热温度为70-90℃。
3.根据权利要求1所述的基于聚乙烯醇-核苷鸟嘌呤的复合水凝胶电解质的制备方法,其特征在于,步骤(2)中核苷鸟嘌呤所占溶液的质量分数为3%-5%,KOH和硼酸的摩尔比为3:1,加热温度为70-90℃。
4.根据权利要求1所述的基于聚乙烯醇-核苷鸟嘌呤的复合水凝胶电解质的制备方法,其特征在于,步骤(3)中两种溶液混合时温度稳定保持70℃。
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2020
- 2020-09-22 CN CN202011001092.7A patent/CN112002562B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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"Hybrid Hydrogel Electrolyte Based on Metal-Organic Supermolecular Self-Assembly and Polymer Chemical Cross-Linking for Rechargeable Aqueous Zn-MnO2 Batteries";Yuanyuan Hu等;《ACS Appl. Mater. Interfaces》;20200825;第12卷;摘要、实验部分 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112002562A (zh) | 2020-11-27 |
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