一种水凝胶电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种水凝胶电解质及其制备方法和应用，所述水凝胶电解质包括水凝胶和电解质；所述水凝胶包括丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物、含羟基的纤维素和金属盐聚合和动态交联的产物；所述动态交联的方式包括：所述丙烯酸类化合物和含羟基的纤维素形成分子间氢键，所述金属盐中的金属离子与丙烯酸类化合物中的羧基和/或聚丙烯酰胺类化合物中的氨基形成离子键。本发明专利技术所述水凝胶电解质兼具愈合能力强、机械强度高且电性能优异的特点。机械强度高且电性能优异的特点。机械强度高且电性能优异的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种水凝胶电解质及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电解质
，尤其涉及一种水凝胶电解质及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电致变色器件中离子传导层根据状态不同可分为液态、凝胶和固态电解质，三者的离子运输速率顺序一般为：液态电解质＞凝胶电解质＞固态电解质。虽然液态电解质离子运输速率高，然而液态电解质存在器件封装、液体的冻结、副反应产物的累积等问题，因此人们采用离子电导率高的固体材料来取代液体电解质。凝胶态电解质目前研究较多，但机械性能较差。若能开发具有高机械性能和高离子传输速率的固态电解质，将对改良电致变色器件具有重要意义。
[0003]在几种电解质中，聚合物凝胶电解质可能具有类似固体的力学性质，同时保持类似于液体电解质的高离子导电性。凝胶电解质还可以避免固体电解质(例如，高电阻)和液体电解质(例如，泄漏和火灾的风险)的一些缺点。理想的聚合物电解质应该具有良好的离子导电性(与液体电解质一样好)和足够的机械强度(或柔韧性)来维持柔性器件复杂的变形。传统的固体聚合物电解质，如导电聚合物盐配合物或无机陶瓷电解质，由于其导电性低、刚度小、电极/电解质界面稳定性差，无法满足未来可穿戴柔性电子产品不断扩大的需求。因此，越来越多的研究转向生产具有高离子电导率、柔韧性和准固态性质的凝胶聚合物电解质，以解决固体聚合物电解质的上述缺点。
[0004]CN112898596A公开了一种水凝胶电解质及其超级电容器，水凝胶电解质在引发剂的作用下，将含有聚合单体、高分子聚合物和水中的聚合单体聚合形成水凝胶电解质聚合物前体，然后将水凝胶电解质聚合物前体浸泡在含有交联所述高分子聚合物的无机盐和锌盐的水溶液中；具有优异机械强度和柔韧性，组装为超级电容器不需要添加隔膜，简化了制造工艺，拓宽了电容器的电压的使用范围，具有实际应用价值。但是其未公开其如何实现自愈特性，其采用先制备聚合物前体后浸泡在无机盐水溶液中的方法。无机盐只能与少量的高分子交联增强体系的机械性能，而主体聚合物在损伤后不能实现自愈。且高分子聚合物与聚合单体间形成的共价交联不可逆，因此不具备自愈性。
[0005]CN113611545A公开了一种可拉伸、可压缩、抗冻有机水凝胶电解质基超级电容器及其制备方法，其公开的超级电容器的电解质为有机水凝胶电解质，其单体为丙烯酰胺和甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱，聚合物网络中掺杂有大豆蛋白，此有机水凝胶电解质的具有优异的拉伸和压缩性能，当最大拉伸至600％应变或压缩至80％应变时，仍可恢复至原始状态，室温电导率可达37.5mS
·
cm
‑1，具有良好的电性能，用此有机水凝胶电解质制备的超级电容器具有良好的双电层行为、可逆性、优异的倍率性能、力学性能及抗冻性能，有望应用于对于力学性能、抗冻性能有较高要求的超级电容器领域，但是其未公开如何实现制备简便且快速愈合的问题。
[0006]综上所述，开发一种兼具愈合能力强、机械强度高且电性能优异的水凝胶电解质至关重要。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种水凝胶电解质及其制备方法和应用，所述水凝胶电解质兼具愈合能力强、机械强度高且电性能优异的特点。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种水凝胶电解质，所述水凝胶电解质包括水凝胶和电解质；
[0010]所述水凝胶包括丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物、含羟基的纤维素和金属盐聚合和动态交联的产物；
[0011]所述动态交联的方式包括：所述丙烯酸类化合物和含羟基的纤维素形成分子间氢键，所述金属盐中的金属离子与丙烯酸类化合物中的羧基和/或聚丙烯酰胺类化合物中的氨基形成离子键。
[0012]本专利技术中，通过非共价交联(氢键和离子键)的方式，使水凝胶电解质具有良好的电化学和力学特性。非共价交联，将大分子凝胶凝聚在一起，避免了水凝胶电解质发生断裂或产生裂缝时，其力学性能急剧下降的问题，同时，所述水凝胶电解质愈合过程迅速，在用于电致变色器件时，无需使用外部刺激就可以实现快速愈合，所述水凝胶电解质兼具愈合能力强、机械强度高且电性能优异的特点。
[0013]优选地，所述丙烯酸类化合物包括丙烯酸、聚丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯或2
‑
甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：丙烯酸、聚丙烯酸和甲基丙烯酸的组合，甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和2
‑
甲基丙烯酸甲酯的组合，丙烯酸、聚丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和2
‑
甲基丙烯酸甲酯的组合等，进一步优选丙烯酸。
[0014]优选地，所述丙烯酰胺类化合物包括丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、芳基丙烯酰胺或苯丙烯酰胺中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：丙烯酰胺和聚丙烯酰胺的组合，聚丙烯酰胺、芳基丙烯酰胺和苯丙烯酰胺的组合，丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、芳基丙烯酰胺和苯丙烯酰胺的组合等，进一步优选丙烯酰胺。
[0015]本专利技术中，优选丙烯酸和/或丙烯酰胺，原因在于二者皆易溶于水，来源广泛且聚合条件温和，并且含有大量活性官能团，能够和交联剂形成混合交联的大分子体系。
[0016]优选地，所述金属盐包括钙盐、二价铁盐或三价铁盐中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：钙盐和二价铁盐的组合，二价铁盐和三价铁盐的组合，钙盐、二价铁盐和三价铁盐的组合等。
[0017]优选地，以所述丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物的总质量为100份计，所述含羟基的纤维素的质量分数为0
‑
2份，且不等于0份，例如0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.6份、0.8份、1.0份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份等，进一步优选0.3
‑
0.6份。
[0018]本专利技术中，以所述丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物的总质量为100份计，控制所述含羟基的纤维素的质量分数为0
‑
2份，且不等于0份，原因在于：含羟基的纤维素用来增强非共价交联体系的力学稳定性，使水凝胶在受外力变形后能够恢复形状，进一步优选0.3
‑
0.6份，含羟基的纤维素的添加量过高会影响聚丙烯酸原本的链段运动，进而使体系的力学强度减弱；添加量过低会导致不能达到降低水凝胶刚度的效果。
[0019]优选地，以所述丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物的总质量为100份计，所
述金属盐的质量分数为0
‑
2份，且不等于0份，例如0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.6份、0.8份、1.0份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份等，进一步优选0.1
‑
0.8份。
[0020]本专利技术中，以所述丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物的总质量为100份计，控制所述金属盐的质量分数为0
‑
2份，且不等于0份，原因在于：自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶电解质，其特征在于，所述水凝胶电解质包括水凝胶和电解质；所述水凝胶包括丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物、含羟基的纤维素和金属盐聚合和动态交联的产物；所述动态交联的方式包括：所述丙烯酸类化合物和含羟基的纤维素形成分子间氢键，所述金属盐中的金属离子与丙烯酸类化合物中的羧基和/或聚丙烯酰胺类化合物中的氨基形成离子键。2.根据权利要求1所述的水凝胶电解质，其特征在于，所述丙烯酸类化合物包括丙烯酸、聚丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯或2
‑
甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述丙烯酰胺类化合物包括丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、芳基丙烯酰胺、或苯丙烯酰胺中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述金属盐包括钙盐、二价铁盐或三价铁盐中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的水凝胶电解质，其特征在于，以所述丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物的总质量为100份计，所述含羟基的纤维素的质量分数为0
‑
2份，且不等于0份；优选地，以所述丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物的总质量为100份计，所述金属盐的质量分数为0
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2份，且不等于0份。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的水凝胶电解质，其特征在于，所述电解质包括硫酸锂、氢氧化钾或硫酸中的任意一种或至少两种的组合。5.一种权利要求1
‑
4任一项所述的水凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将丙烯酸类化合物和/或丙烯酰胺类化合物依次与含羟基的纤维素和碱性溶液混合，再与金属盐和引发剂混合，进行聚合和交联反应，得到所述水凝胶；再将所述水凝胶在电解质溶液中浸泡，得到所述水凝胶电解质。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含羟基的纤维素的浓度为0
‑
100g/L，...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔彦斌，李文丽，刘姣，张建岭，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：