[发明专利]含乙烯基咪唑链段聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于化学及其能源电池技术领域，具体地涉及一种含乙烯基咪唑链段的聚合物凝胶电解质及其制备方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池(DSSC)因其易组装、成本低、效率高(12.3％)的优点而受到广泛的关注。例如，美国专利US 6479745中液体电解质组分为0.5mol/L KI、0.05mol/L I₂，溶剂为碳酸丙烯酯，测得室温的电导率为7.2mS.cm^-1。但是，基于液体电解质和DSSC存在电池封装困难、溶剂挥发、染料解吸附、腐蚀反电极及寿命短等缺点，而聚合物电解质具有封装简单、廉价、性能稳定等优点。

DSSC聚合物电解质作为具有实用性价值的聚合物电解质应满足以下条件：(1)室温离子电导率达10^-3S.cm^-1数量级；(2)与电极界面接触性能良好，界面电阻小，界面电荷传输速度快；(3)良好的电化学稳定性；(4)良好的加工性能。

现有技术的液体电解质存在溶剂易泄漏、易挥发、电池性能不稳定和使用寿命短等缺点。因此，无渗漏、使用时间长的聚合物准固体与固体电解质成为最有前途的材料。

发明内容

本发明克服了现有技术中液体电解质造成的DSSC电池封装困难、溶剂挥发、染料解吸附、腐蚀反电极及寿命短等缺陷，提出了一种聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用。本发明提出的含乙烯基咪唑链段聚合物凝胶电解质及其制备方法具有路线简单，操作条件温和，产物提纯步骤简单而产率高，热稳定性好，易于封装，电化学稳定性良好等优点。

本发明提出了一种含乙烯基咪唑链段聚合物凝胶电解质，其具有如下化学式(I)的结构：

其中，M⁺代表Na⁺、K⁺或Li⁺；R₁代表H或CH₃；R₂代表CH₃、C₄H₉、CH₂CH₂OH或CH₂CH₂CH₂OH或C₇F₁₅。

本发明还提出了所述含乙烯基咪唑链段聚合物凝胶电解质的制备方法，通过聚(乙烯基咪唑-丙烯酸酯)/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)P(VIM-A)/P(VDF-HFP)共混物与氧化还原对碘化物/I₂混合，反应得到所述聚合物凝胶电解质。

本发明聚合物凝胶电解质的制备方法依次包括以下步骤：

步骤(1)聚(乙烯基咪唑-丙烯酸酯)/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)共混物制备：

将乙烯基咪唑单体和丙烯酸酯类单体溶于溶剂中，形成乙烯基咪唑单体和丙烯酸酯类单体的溶液；将引发剂溶于溶剂中，形成引发剂溶液；在反应瓶中加入聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)和溶剂形成混合物，向该聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)和溶剂的混合物中通入氮气并升温，再加入所述乙烯基咪唑单体和丙烯酸酯类单体的溶液与引发剂溶液，反应得到聚(乙烯基咪唑-丙烯酸酯)/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)P(VIM-A)/P(VDF-HFP)共混物，其中，聚(乙烯基咪唑-丙烯酸酯)P(VIM-A)的结构如化学式(II)所示；

其中，x∶y的个数比为10∶(20～320)；R₁代表H或CH₃；R₂代表CH₃、C₄H₉、CH₂CH₂OH或CH₂CH₂CH₂OH或C₇F₁₅。

步骤(2)聚合物凝胶电解质制备：

将碘化物、I₂和溶剂混合搅拌之后得到碘化物/I₂电解质溶液；将经过步骤(1)处理得到的聚(乙烯基咪唑-丙烯酸酯)/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)P(VIM-A)/P(VDF-HFP)共混物加入到碘化物/I₂电解质溶液中，再加入离子液体，在密封环境中于60-75℃加热、搅拌，再冷却至室温得到产物如式(I)所示的含乙烯基咪唑链段的聚合物凝胶电解质。