一种凝胶聚合物电解质膜及其制备方法和用途技术

本发明专利技术实施例公开了一种凝胶聚合物电解质膜，该凝胶聚合物电解质膜的材质包含聚合物基底材料与离子液体混合形成的混合材料，所述聚合物基底材料与所述离子液体的质量比为100:30~50，所述聚合物基底材料为聚乙烯醇，所述离子液体为N-甲基吡咯烷类离子液体。另，本发明专利技术实施例还公开了一种凝胶聚合物电解质膜的制备方法和用途。本发明专利技术提供的凝胶聚合物电解质膜及其制备方法，具有安全性能高、环境友好、有利于大规模制备等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种凝胶聚合物电解质膜及其制备方法和用途
本专利技术涉及电化学器件相关领域，尤其涉及一种凝胶聚合物电解质膜及其制备方法和用途。
技术介绍
超级电容器是一种介于充电电池和电容器之间的新型能源器件，具有体积小、容量大、充电速度快、循环寿命长、放电效率高、工作温度范围宽、可靠性好和无污染免维护等优点，是一种新型、高效、实用的能量储存装置，因而被广泛应用于军事领域、移动通讯装置、计算机、以及电动汽车的混合电源等。超级电容器工作电解质分为水系电解液、有机液体电解液和聚合物电解质。水系电解液的分解电压低，因而研究较少。目前广泛使用的液体电解质的优点是电导率高，但是由于含有易燃、易挥发的有机溶剂，其在充放电过程中释放出可燃气体，特别是在某些非常规工作条件下（如大功率充放电、过充过放等）产生大量热会加速气体的产生，导致电池内压增高，气体泄漏，甚至起火爆炸，因而存在严重的安全隐患。聚合物电解质超级电容器和聚合物电解质锂离子电池因具有安全、无泄漏、漏电流小等优点而被研究者们所重视。但是固态聚合物电解质室温下电导率较低(10-5~10-4s/cm),使用应用受到限制,因而凝胶聚合物电解质成为研究重点。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术实施例旨在提供一种凝胶聚合物电解质膜及其制备方法，具有安全性能高、环境友好、有利于大规模制备等特点，能用于制备超级电容器。本专利技术实施例提供了一种凝胶聚合物电解质膜，所述凝胶聚合物电解质膜的材质包含聚合物基底材料与离子液体混合形成的混合材料，所述聚合物基底材料与所述离子液体的质量比为100:30~50，所述聚合物基底材料为聚乙烯醇，所述离子液体为具有如结构式（1）所示的化合物：式中，Y-为BF4-、PF6-、(CF3SO2)2N-或CF3SO3-。优选地，聚乙烯醇（PVA）的质均分子量为2~20万。相应地，本专利技术实施例还提供了一种凝胶聚合物电解质膜的制备方法，包括以下步骤：（1）将N-甲基吡咯烷与甲氧基乙氧基卤代甲烷按照摩尔比为1∶1.05~1.2的比例混合，在惰性气体保护下加热至60℃~80℃，搅拌反应48~72小时，得到具有如下结构式表示的化合物A：式中，X-为Cl-、Br-、I-；（2）将所述化合物A与通式为M+Y-的盐按照摩尔比为1:1~1.1的比例混合，加入去离子水，在室温下搅拌反应8~24小时，得到具有如结构式（1）表示的离子液体：其中，M+为Na+、K+或NH4+；Y-为BF4-、PF6-、(CF3SO2)2N-或CF3SO3-；（3）将所述离子液体与聚乙烯醇按照质量比为30~50:100混合，加入有机溶剂，在无水及惰性气体保护下，加热至40℃~60℃，搅拌均匀形成粘稠溶液，将所述粘稠溶液浇铸在玻璃板上，在80℃~100℃下真空干燥24小时~48小时，冷却后，剥离得到所述凝胶聚合物电解质膜。步骤（1）为使得N-甲基吡咯烷与甲氧基乙氧基卤代甲烷反应制得化合物A，反应式如下：其中，RX为甲氧基乙氧基卤代甲烷。优选地，甲氧基乙氧基卤代甲烷为甲氧基乙氧基氯甲烷、甲氧基乙氧基溴甲烷或甲氧基乙氧基碘甲烷。其中，甲氧基乙氧基氯甲烷、甲氧基乙氧基溴甲烷或甲氧基乙氧基碘甲烷的结构式分别为：优选地，所述惰性气体为氮气（N2）或氩气（Ar2）。优选地，步骤（1）还包括对化合物A的如下纯化操作：反应完毕后，将所述反应的反应液静置冷却，用乙酸乙酯洗涤产物，并在80℃~100℃下真空干燥24小时~48小时，得到纯化的化合物A。步骤（2）为使得化合物A与通式为M+Y-的盐反应制得离子液体，反应式如下：式中，M+为Na+、K+或NH4+；Y-为BF4-、PF6-、(CF3SO2)2N-或CF3SO3-。优选地，步骤（2）还包括对所述离子液体的如下纯化操作：反应完毕后，用二氯甲烷或氯仿萃取反应液1~5次，收集萃取液，用去离子水反萃取至用饱和AgNO3水溶液滴定水相无沉淀产生为止，将有机相蒸发浓缩后，并在80℃~100℃下真空干燥24小时~48小时，得到纯化的所述离子液体。离子液体具有电导率高（5ms/cm左右）、熔点低（-30℃左右）、电化学窗口宽（5V左右）等特点，相对于有机液体的易燃、易挥发、热稳定性不好等缺点、离子液体具有不挥发、不可燃、热稳定性好等优势。因此，凝胶聚合物电解质中混合离子液体可降低有机液体的使用量，降低了电解质的易燃性和挥发性，不但提高凝胶聚合物电解质膜的安全性，稳定性，且环境友好。步骤（3）为制得N-甲基吡咯烷离子液体/聚乙烯醇（PVA）凝胶聚合物电解质膜。优选地，聚乙烯醇（PVA）的质均分子量为2~20万。优选地，有机溶剂为乙腈、乙醇或四氢呋喃（THF）。优选地，有机溶剂与聚乙烯醇的质量比为20%~30%。另外，本专利技术实施例还提供了凝胶聚合物电解质膜在超级电容器中的用途。具体地，将凝胶聚合物电解质膜组装成超级电容器：将石墨烯(比表面积约为700m2/g)、乙炔黑和PVDF按照质量比为石墨烯：乙炔黑：PVDF=85~90：3~7：3~10的比例混合，并按质量比石墨烯：NMP=1:2~20加入NMP，充分搅拌使之成为混合均匀的浆料；然后将浆料刮涂于经乙醇清洗过的铝箔上，在0.01MPa的真空下100℃干燥至恒重，并于10~15MPa压力下辊压制成石墨烯电极，并切成电极圆片；将制备好的凝胶聚合物电解质置于两石墨烯电极之间，在冲压机上封口制成扣式电容器。实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：（1）本专利技术提供的凝胶聚合物电解质膜安全性能高、稳定性高且环境友好，适用于超级电容器等电化学器件；（2）本专利技术提供的凝胶聚合物电解质膜的制备方法操作简便，有利于实现大规模化生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本专利技术提供的凝胶聚合物电解质膜的制备方法流程示意图；图2是本专利技术实施例1的超级电容器的恒流充放电曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1一种凝胶聚合物电解质膜的制备方法，包括如下步骤：（1）制备氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷在250mL的烧瓶中分别加入（85g,1mol)N-甲基吡咯烷和(148.8g,1.2mol)甲氧基乙氧基氯甲烷，混合均匀后，在N2保护下，加热至60℃，搅拌反应72h，反应完毕后，静置冷却至室温，用乙酸乙酯洗涤产物3次，并在80℃下真空干燥48h，得到浅黄色的固体，即为氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷，收率为83%；（2）制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐离子液体将上述制得的氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷(102.5g，0.5mol)及NaBF4(58.3g，0.53mol)溶于100mL去离子水中，在室温下搅拌反应8h，反应完毕后，将反应液用250mL二氯甲烷萃取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种凝胶聚合物电解质膜，其特征在于，所述凝胶聚合物电解质膜的材质包含聚合物基底材料与离子液体混合形成的混合材料，所述聚合物基底材料与所述离子液体的质量比为100:30~50，所述聚合物基底材料为聚乙烯醇，所述离子液体为具有如结构式（1）所示的化合物：式中Y?为BF4?、PF6?、(CF3SO2)2N?或CF3SO3?。FDA00001709465700011.jpg

【技术特征摘要】
1.一种凝胶聚合物电解质膜，其特征在于，所述凝胶聚合物电解质膜的材质包含聚合物基底材料与离子液体混合形成的混合材料，所述聚合物基底材料与所述离子液体的质量比为100:30～50，所述聚合物基底材料为聚乙烯醇，所述聚乙烯醇的质均分子量为2～20万，所述离子液体为具有如结构式(1)所示的化合物：式中Y-为BF4-、PF6-、(CF3SO2)2N-或CF3SO3-。2.一种凝胶聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将N-甲基吡咯烷与甲氧基乙氧基卤代甲烷按照摩尔比为1:1.05～1.2的比例混合，在惰性气体保护下加热至60℃～80℃，搅拌反应48～72小时，得到具有如下结构式表示的化合物A：A：式中，X-为Cl-、Br-、I-；(2)将所述化合物A与通式为M+Y-的盐按照摩尔比为1:1～1.1的比例混合，加入去离子水，在室温下搅拌反应8～24小时，得到具有如结构式(1)表示的离子液体：其中，M+为Na+、K+或NH4+；Y-为BF4-、PF6-、(CF3SO2)2N-或CF3SO3-；(3)将所述离子液体与聚乙烯醇按照质量比为30～50：100的比例混合，加入有机溶剂，在无水及惰性气体保护下，加热至40℃～60℃，搅拌均匀形成粘稠溶液，将所述粘稠溶液浇铸在玻璃板...

【专利技术属性】
技术研发人员：周明杰，刘大喜，王要兵，
申请(专利权)人：海洋王照明科技股份有限公司，深圳市海洋王照明技术有限公司，
类型：发明
国别省市：