一种纤维素聚合物电解质膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种纤维素聚合物电解质膜及其制备方法和应用。本发明专利技术以纤维素作为原料，纤维素分子结构之间的重新组装和大量的介孔结构使其具有高的孔隙率、吸收与保持电解液的性能，提高了其离子电导率；纤维素分子链之间的大量氢键作用以及三维均相体系使其具有很好的力学性能。本发明专利技术提供的纤维素聚合物电解质膜能够进行反复折叠，表面柔韧性和透明性良好；具有丰富的介孔结构，孔径可调性，且随着调湿时间的延长，孔径变大，孔径更加均匀；孔隙率为71.78％，离子电导率为0.325s/cm，力学性能良好。本发明专利技术提供的纤维素聚合物电解质膜应用于柔性全固态超级电容器和微型超级电容器时，具有良好电化学性能和应用对象的可伸缩性。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素聚合物电解质膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及电解质膜
，尤其涉及一种纤维素聚合物电解质膜及其制备方法和应用。
技术介绍
聚合物电解质是一种新型的应用于柔性、便携式和高性能的能量储存器件，如超级电容器、锂离子电池(Li-ion)、锂硫电池(Li-S)和锌空电池(Zn-O2)等二次电池中非液体的电解质材料，具有电解质与隔膜的双重功能。聚合物电解质膜由于其高离子电导率、宽电化学窗口和使用安全性而引起越来越多的关注。聚合物电解质膜具有电解质和隔膜的双重功能，促进了便携式和可穿戴式电子设备的储能系统的开发。目前为止，技术人员已经做了许多努力来制备高性能凝胶聚合物电解质和多孔聚合物电解质：在聚(乙二醇)接枝聚(亚芳基醚酮)复合的微孔聚合物膜中掺入壳聚糖-LiClO4制得凝胶电解质，该聚合物电解质显示出良好的机械性能和低泄漏性，并且当结合到固态双电层电容器中时具有高的循环稳定性；氧化石墨烯掺杂离子凝胶电解质显示出高离子电导率，采用该凝胶电解质组装全固态SC，表现出高电容性能和良好的循环稳定性。然而，传统的聚合物电解质不可再生、生物降解性差，机械性能不足、离子导电率低，制备方法通常都使用非绿色的溶剂，步骤繁琐且耗时，这在一定程度上降低了全固态SC的电化学性能及限制了其在其它储能器件中的应用，且组装的超级电容器的柔韧性不足，大幅度的弯曲状态下会严重影响其电化学性能。所以有必要采用一种新颖、简单、方便、绿色环保的方法制备具有可再生、完全生物可降解、高离子电导率、抗机械性能强的聚合物电解质膜材料，且应用于超级电容器等储能器件展现出优越的电化学性能与柔韧稳定性，满足当代产品智能、柔韧、环保的理念。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纤维素聚合物电解质膜及其制备方法和应用，本专利技术提供的制备方法操作简单，使用的溶剂均为绿色溶剂，无毒无害，健康环保，采用的原材料纤维素是完全可再生和生物降解的材料。本专利技术提供的纤维素聚合物电解质膜同时具有优异的柔韧性、力学性能和电化学性能。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种纤维素聚合物电解质膜的制备方法，包含如下步骤：将溶剂和纤维素进行混合，得到原料液相混合物；对所述原料液相混合物进行脱气处理，得到脱气体系；将所述脱气体系涂覆于载体表面后，进行调湿处理再在置换液中进行置换，得到水凝胶体系；将所述水凝胶体系设置于两个聚四氟乙烯微孔膜之间，干燥处理得到纤维素膜；将所述纤维素膜在电解液中吸附，得到纤维素聚合物电解质膜。优选的，所述溶剂为离子液体、NaOH和尿素的混合溶液或二甲基乙酰胺和氯化锂的混合物。优选的，所述溶剂和纤维素的质量比为(45～55):(1～5)。优选的，所述脱气处理的真空度为0.001～0.05MPa；所述脱气处理的时间为1～10h。优选的，所述置换液为水、乙醇或丙酮。优选的，所述置换的温度为20～40℃；所述置换的时间为30～90min。优选的，所述干燥的温度为50～70℃；所述干燥的时间为10～15h。优选的，所述电解液为碱系电解液、酸系电解液或盐系电解液。本专利技术还提供了一种上述技术方案任意一项所述制备方法得到的纤维素聚合物电解质膜。本专利技术还提供了一种上述技术方案所述纤维素聚合物电解质膜在电容器中的应用。本专利技术提供了一种纤维素聚合物电解质膜及其制备方法和应用。本专利技术以纤维素作为原料，纤维素分子链之间的重新组装和大量的介孔结构使其具有高的孔隙率、吸水与保水性能，提高了其离子电导电率；纤维素分子链之间形成的大量氢键作用以及三维均相体系使其具有很好的力学性能。由实施例的结果可知，本专利技术提供的纤维素聚合物电解质膜能够进行反复折叠，表面柔韧性和透明性良好；具有丰富的介孔结构，孔径可调性，且随着调湿时间的延长，孔径变大，孔径更加均匀；孔隙率为71.78％，离子电导率为0.325s/cm；力学性能、采用纤维素聚合物电解质膜组装的全固态超级电容器具有优异的电化学性能。电流密度为0.5安/克，最大质量比电容可达120.6法/克，即使10安/克大电流密度下，依然具有高达81.4法/克的质量比电容，展现了良好的倍率性能。循环稳定性突出，1安/克电流密度下，充放电循环10000次后，质量比电容依然可达100法/克。更让人高兴的是，组装的全固态超级电容器展现出了优越的柔韧性，即使在弯曲角度高达180℃条件下，依然保持原有的电化学性能，比电容值保持不变。且纤维素聚合物电解质膜除了可以组装三明治形态的柔性全固态超级电容器，还可以用于组装柔性微型超级电容器，同样展现出了理想的电化学性能，证明了纤维素聚合物电解质膜性能的优异性及应用对象的可伸缩性。附图说明图1为纤维素聚合物电解质膜的透光效果照片；图2为在室温下调湿0小时后，纤维素聚合物电解质膜的SEM扫描照片；图3为在室温下调湿5小时后，纤维素聚合物电解质膜的SEM扫描照片；图4为在室温下调湿10小时后，纤维素聚合物电解质膜的SEM扫描照片；图5为纤维素聚合物电解质膜的孔隙率和离子电导率；图6为纤维素聚合物电解质膜的拉伸应力-应变曲线；图7为纤维素聚合物电解质膜的循环伏安曲线；图8为纤维素聚合物电解质膜的恒电流充放电曲线；图9为纤维素聚合物电解质膜的交流阻抗谱图；图10为纤维素聚合物电解质膜在不同电流密度下的比电容；图11为纤维素聚合物电解质膜在1安/克电流密度下充放电循环稳定性；图12为纤维素聚合物电解质膜不同弯曲状态下100毫伏/秒的扫描速率的循环伏安曲线；图13为全固态柔性超级电容器组装示意图；图14为纤维素聚合物电解质膜柔性微型超级电容器200毫伏/秒扫描速率的循环伏安曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种纤维素聚合物电解质膜的制备方法，包含如下步骤：将溶剂和纤维素进行混合，得到原料液相混合物；对所述原料液相混合物进行脱气处理，得到脱气体系；将所述脱气体系涂覆于载体表面后，进行调湿处理再在置换液中进行置换，得到水凝胶体系；将所述水凝胶体系设置于两个聚四氟乙烯微孔膜微孔板之间，干燥处理得到纤维素膜；将所述纤维素膜在电解液中吸附，得到纤维素聚合物电解质膜。本专利技术将溶剂和纤维素进行混合，得到原料液相混合物。在本专利技术中，所述溶剂优选为离子液体、NaOH和尿素的混合溶液或二甲基乙酰胺和氯化锂的混合物。在本专利技术中，所述离子液体优选为氯化1-丁基-3-甲基咪唑氯([Bmim]Cl)、溴化1-丁基-3-甲基咪唑([Bmim]Br)和1-甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐([EMI]BF4)中的一种或几种。在本专利技术中，所述NaOH和尿素的混合溶液优选为NaOH和尿素的混合水溶液；其中，NaOH的质量浓度优选为5～10％，更优选为7％；尿素的质量浓度优选为10～15％，更优选为12％。在本专利技术中，所述二甲基乙酰胺和氯化锂的混合物中二甲基乙酰胺和氯化锂的质量比优选为(45～55):(1～5)，更优选为50:3。在本专利技术中，所述纤维素优选为棉花纤维素、柳絮纤维素、木材纤维素、竹纤维素、麻纤维素、农作物秸秆纤维素或甘蔗纤维素。在本专利技术中，所述溶剂和纤维素的质量比优选为(45～55):(1～5)，更优选为(48～52):(2～3)，最优选为50:2.08。在本专利技术中，所述纤维素的聚合度优选为800～2000，更优选为1000～1600，最优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维素聚合物电解质膜的制备方法，包含如下步骤：将溶剂和纤维素进行混合，得到原料液相混合物；对所述原料液相混合物进行脱气处理，得到脱气体系；将所述脱气体系涂覆于载体表面后，进行调湿处理再在置换液中进行置换，得到水凝胶体系；将所述水凝胶体系设置于两个聚四氟乙烯微孔膜之间，干燥处理得到纤维素膜；将所述纤维素膜在电解液中吸附，得到纤维素聚合物电解质膜。

【技术特征摘要】
1.一种纤维素聚合物电解质膜的制备方法，包含如下步骤：将溶剂和纤维素进行混合，得到原料液相混合物；对所述原料液相混合物进行脱气处理，得到脱气体系；将所述脱气体系涂覆于载体表面后，进行调湿处理再在置换液中进行置换，得到水凝胶体系；将所述水凝胶体系设置于两个聚四氟乙烯微孔膜之间，干燥处理得到纤维素膜；将所述纤维素膜在电解液中吸附，得到纤维素聚合物电解质膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为离子液体、NaOH和尿素的混合溶液或二甲基乙酰胺和氯化锂的混合物。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂和纤维素的质量比为(45～55):(1～5)。4.根据权利要求1所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海鹏，赵大伟，张奇，陈文帅，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23