固态电解质、固态电解质制备方法及固态电容技术

本发明专利技术公开了一种固态电解质、固态电解质制备方法及固态电容，利用化学氧化聚合法，在PEDOT聚合过程中引入PSS和HNTs，以HNTs的纳米管结构为骨架，附着在HNTs上的PEDOT相互交联，形成具有三维网络结构HNTs/PEDOT:PSS复合材料。本发明专利技术提供的固态电解质、固态电解质制备方法及固态电容，热稳定性高、导电性能好；极大降低固态电容产品ESR，提高其耐纹波电流能力。

【技术实现步骤摘要】
固态电解质、固态电解质制备方法及固态电容
本专利技术涉及电容
，尤其涉及一种固态电解质、固态电解质制备方法及固态电容。
技术介绍
全固态铝电解电容器(以下简称固态电容)与普通电容最大的区别是以固态导电高分子材料代替液态工作电解液，有效解决了电解液蒸发、泄漏、易燃等难题，具有稳定性高、寿命长、低ESR(EquivalentSeriesResistance，等效串联电阻)和高额定纹波电流等优点，正逐步在各个领域取代普通电容。作为固态电容最重要的组成成分——固态工作电解质，经历了三代的发展，目前国际上主流企业使用最多的是PEDOT(3,4-Ethylenedioxythiophene；聚3,4-乙撑二氧噻吩)，但是对PEDOT来说，不同的聚合方式与掺杂方式对其导电性、热稳定性以及机械性能影响巨大。PEDOT作为现阶段应用最多的固态电容电解质，具有高导电率的优点，而且相较于前两代固态电解质——有机半导体TCNQ(7,7,8,8-Tetracyanoquinodimethane；7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷)、聚吡咯(polypyrrole，Pyy)，具有更加优异的化学稳定性和热稳定性。纯的PEDOT经过掺杂后虽然导电性较高(最高可达1000μS/cm)，但是其难以溶解，加工性能差、机械性能差，在电容器生产过程中对设备的要求极高，难度大。在EDOT(3,4-ethoxylenedioxythiophene，3,4-乙烯二氧噻吩)聚合过程中加入NaSS(苯乙烯磺酸钠)制备PEDOT：PSS复合物，可明显提高PEDOT的溶解性能与可加工性能，但是由于PSS(Poly(sodium-p-styrenesulfonate)，聚苯乙烯磺酸钠)本身是绝缘体，且PSS链所带的电荷量影响了带正电的PEDOT与带有负电的PSS链之间的静电作用和PEDOT链上的电荷传输，这将不可避免的导致复合物电导率下降，相对于PEDOT，PEDOT：PSS电导率通常下降到1S/cm以下，应用于固态电容电解质时，将导致固态电容ESR大幅上升。同时，目前合成的PEDOT的热分解温度普遍低于200℃，纯的PEDOT甚至在150℃下就开始分解，过低的热分解温度，导致其在作为固态电容器工作电解质时，很难适应150℃以上的工作温度，高温固态电容器研究工作遇到瓶颈，目前市面上工作温度超过150℃的固态电容器几乎不存在。因此，如何设计一种工作温度超过150℃的固态电容器，是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提出的固态电解质、固态电解质制备方法及固态电容，旨在解决现有技术中未有工作温度超过150℃的固态电容器的技术问题。根据本专利技术的一个方面，提供一种固态电解质，利用化学氧化聚合法，在PEDOT聚合过程中引入PSS和HNTs(埃洛石纳米硅铝管)，以HNTs的纳米管结构为骨架，附着在HNTs上的PEDOT相互交联，形成具有三维网络结构HNTs/PEDOT:PSS复合材料。HNTs是一种天然的硅酸盐黏土矿，主要以纳米管的形态存在于自然界中(常为多壁中空管状结构且两端开口)，具有极其优越的机械性能与热稳定性，且相较于CNTs(carbonnanotubes，碳纳米管)，具有独特的结构和明显的资源优势。根据本专利技术的另一个方面，还提供一种制备上述的固态电解质的方法，包括以下步骤：对HNTs进行羟基化处理：将HNTs分散在溶液中，加热至90～105℃并搅拌1～5小时，在离心机中以1000～5000r/min的转速离心4～5次，并反复进行抽滤、蒸馏水洗涤；在40～60℃真空箱中干燥16～28小时，并研磨成粉末；合成HNTs-KH540：将羟基化后的HNTs分散在甲苯中，超声处理8～12分钟，生成悬浮液；将KH540(3-Aminopropyltrimethoxysilane，3-氨基丙基三甲氧基硅烷)加入到生成的悬浮液中，形成混合物；将形成的混合物加热至100～150℃以回流8～12小时；经离心、洗涤、干燥和研磨处理得到HNTs-KH540；合成HNTs-Br：以CH3Cl(methylchloride，chloromethane，氯甲烷)、CH2Cl2、CHCl3中的一种或几种作为反应溶剂，与合成的HNTs-KH540进行混合，超声处理8～10秒，加入等量的三乙胺，在0℃下冰浴处理1小时；然后再加入2-溴异丁酰胺，在0℃搅拌20～24小时后进行离心干燥和研磨处理得到HNTs-Br；将PSS嫁接到HNTs上，合成HNTs-g-PSS：将合成的HNTs-Br与NaSS混合于DMF(二甲基甲酰胺)的水溶液中，超声处理12～18秒；加入PMDETA(五甲基二乙烯基三胺)，常温下搅拌20～24小时后，洗涤和干燥处理；再加入置换剂，置换出其中的Na+；经过滤、洗涤和干燥后得到HNTs-g-PSS；制备HNTs/PEDOT:PSS复合材料：将合成的HNTs-g-PSS与去离子水混合，超声处理，配成悬浮液；加入EDOT，搅拌12～15秒后，加入APS(Ammoniumpersulfate,过硫酸铵)，在室温下搅拌反应20～24小时，直至悬浮液变成黑色；通过离心、洗涤和干燥处理，得到HNTs/PEDOT:PSS复合材料。进一步地，对HNTs进行羟基化处理的步骤中，溶液为H2O2、NaOH溶液、H2O中的一种或多种；进一步地，合成HNTs-Br的步骤中：整个反应过程在冰浴条件下进行。进一步地，将PSS嫁接到HNTs上，合成HNTs-g-PSS的步骤中：置换剂为HCl、HNO3、H2SO3、CH3COOH中的一种或几种。进一步地，将PSS嫁接到HNTs上，合成HNTs-g-PSS的步骤中：HNTs-Br与NaSS的重量份数比为5:1～1:5。进一步地，将PSS嫁接到HNTs上，合成HNTs-g-PSS的步骤中：HNTs-Br与NaSS的重量份数比为1:1。进一步地，制备HNTs/PEDOT:PSS复合材料的步骤中：HNTs-g-PSS与EDOT的重量份数比为1:5～2:1。进一步地，制备HNTs/PEDOT:PSS复合材料的步骤中：HNTs-g-PSS与EDOT的重量份数比为1:1。根据本专利技术的另一方面，本专利技术还提供一种固态电容，采用上述的固态电解质制作而成。本专利技术所取得的有益效果为：本专利技术提供的固态电解质、固态电解质制备方法及固态电容，通过一种简单的化学氧化聚合方法，在PEDOT聚合过程中引入PSS以及HNTs，以HNTs的纳米管结构为骨架，形成具有三维网络结构HNTs/PEDOT:PSS复合材料，附着在HNTs上的PEDOT相互交联，独特的结构极大地提高了材料的耐热性。本专利技术提供的固态电解质、固态电解质制备方法及固态电容，热稳定性高、导电性能好；极大降低固态电容产品ESR，提高其耐纹波电流能力。附图说明图1为本专利技术固态电解质一实施例中的HNTs/PEDOT:PSS复合材料的扫描电镜示意图；图2为本专利技术固态电解质一实施例中的HNTs/PEDOT:PSS复合材料的透射电镜示意图；图3为本专利技术固态电解质一实施例中的各材料热重曲线示意图。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态电解质，其特征在于，利用化学氧化聚合法，在PEDOT聚合过程中引入PSS和HNTs，以HNTs的纳米管结构为骨架，附着在HNTs上的PEDOT相互交联，形成具有三维网络结构HNTs/PEDOT:PSS复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种固态电解质，其特征在于，利用化学氧化聚合法，在PEDOT聚合过程中引入PSS和HNTs，以HNTs的纳米管结构为骨架，附着在HNTs上的PEDOT相互交联，形成具有三维网络结构HNTs/PEDOT:PSS复合材料。2.一种制备权利要求1所述的固态电解质的方法，其特征在于，包括以下步骤：对HNTs进行羟基化处理：将HNTs分散在溶液中，加热至90～105℃并搅拌1～5小时，在离心机中以1000～5000r/min的转速离心4～5次，并反复进行抽滤、蒸馏水洗涤；在40～60℃真空箱中干燥16～28小时，并研磨成粉末；合成HNTs-KH540：将羟基化后的HNTs分散在甲苯中，超声处理8～12分钟，生成悬浮液；将KH540加入到生成的悬浮液中，形成混合物；将形成的混合物加热至100～150℃以回流8～12小时；经离心、洗涤、干燥和研磨处理得到HNTs-KH540；合成HNTs-Br：以CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3中的一种或几种作为反应溶剂，与合成的HNTs-KH540进行混合，超声处理8～10秒，加入等量的三乙胺，在0℃下冰浴处理1～2小时；然后再加入2-溴异丁酰胺，在0℃搅拌20～24小时后进行离心干燥和研磨处理得到HNTs-Br；将PSS嫁接到HNTs上，合成HNTs-g-PSS：将合成的HNTs-Br与NaSS混合于DMF的水溶液中，超声处理12～18秒；加入PMDETA，常温下搅拌20～24小时后，洗涤和干燥处理；再加入置换剂，置换出其中的Na+；经过滤、洗涤和干燥后得到HNTs-g-PSS；制备HNTs/PEDOT:PSS复合材料：将合成的HNTs-g...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾亮，曹文，夏商，贾明，潘振炎，
申请(专利权)人：湖南艾华集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43