[发明专利]准固态聚合物凝胶电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种准固态聚合物凝胶电解质及其制备方法，属于光电转换和新能源技术领域。

背景技术

长期以来，含有碘/碘化物氧化还原对的液体电解质一直作为染料敏化纳米TiO₂多孔薄膜太阳能电池（DSSCs）的空穴传输材料。由于具有扩散速率快、电池光电转换效率高和对纳米TiO₂多孔薄膜浸润好等优点而广泛应用。虽然液体电解质太阳能电池光电转换率高，但它也产生了一系列问题：①液体电解质电池密封工艺复杂，用于封装的密封剂易与电解质反应，发生漏液；②液体电解质的有机溶剂一般常有毒性，易挥发，与吸附在TiO₂多孔薄膜上的染料发生反应导致染料降解，影响电池稳定性，不利于电池实际应用，可能对环境造成影响；③液体电解质本身不稳定，易发生化学变化，导致太阳能电池失效；④载流子迁移率慢，在强光下光电流不稳定；⑤除了氧化还原循环反应外，液体电解质还存在不可逆反应；⑥太阳能电池的形状设计受限。这些都导致了太阳能电池的不稳定性、使用寿命缩短，使染料敏化太阳能电池的实用化受到限制。

为了克服这些问题，研究者们提出了用固态电解质或准固态电解质来代替液体电解质作为染料敏化太阳能电池的空穴传输材料。虽然固态电解质克服了液体电解质的不足，但由于电导率低导致太阳能电池光电转换效率相对较低，以及电解质与电极界面浸润性差等问题，使得固态电解质有待进一步研究。与固态电解质相比，准固态电解质不仅具有高的电导率和光电转换效率，而且还克服了液体电解质的不足，有效防止了电解质的泄漏，延长电池使用寿命。

公开号为CN102020748A的专利公开了一种聚合物-金属离子络合物凝胶电解质及其制备方法与应用。专利先以溶液聚合方法合成可与多价金属离子络合的聚合物，然后将聚合物与极性小分子增塑剂混匀，再加入多价金属盐得到聚合物-金属离子络合物凝胶电解质。但该专利并未涉及凝胶电解质组装成染料敏化太阳能电池的长期光电稳定性，且从工艺上来说，是先制备凝胶电解质，再用凝胶电解质组装电池，存在凝胶电解质对阳电极的润湿渗透问题，很难进一步提高光电转换效率。

专利号为ZL200910066474.5的专利提供了一种原位聚合制备离子液体型凝胶聚合物电解质及电池的方法。采用丙烯腈和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为单体，碳酸乙烯酯为有机增塑剂，AIBN为引发剂，高氯酸铝为锂盐、并加入离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为电解质的组分，采用自由基引发，原位聚合的方式制备稳定的离子液体型凝胶聚合物电解质。但其主要用于组装锂电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种准固态聚合物凝胶电解质及其制备方法。该准固态聚合物凝胶电解质可应用于染料敏化太阳能电池，也可作为导电介质。

为达到上述目的，本发明提出设计并合成分子链上带有能以季铵盐化反应或以Lewis酸碱相互作用与有机交联剂发生交联固化反应官能团的聚合物大分子，并在聚合物大分子中引入了能提高其在液体电解质中溶解能力的溶剂化单体单元，同时通过改性单体来提高聚合物大分子的分子量及改善其在凝胶电解质中的网络结构。

本发明设计了由凝胶单体、溶剂化单体和改性单体组成的三元共聚物，聚合方法上选择了简便易操作的自由基本体聚合法或自由基溶液聚合法来合成三元共聚物大分子，并用该聚合物大分子制备了准固态聚合物凝胶电解质。

本发明的一种准固态聚合物凝胶电解质，它包括如下组分：

①聚合物大分子；

②能与聚合物大分子通过酸碱相互作用或季胺盐化反应形成三维空间网络骨架结构的交联剂；

③溶剂A或含有添加剂的溶剂A；

④单质碘和碘化合物；

其中，所述聚合物大分子为由凝胶单体、溶剂化单体和改性单体经聚合而成的三元共聚物，所述交联剂为α,ω-二卤代烃或α,ω-二元羧酸，所述溶剂A为醇、腈、醚、酮、酯类化合物中的一种或1种或2种的混合物，所述添加剂为吡啶类或咪唑类化合物中的1种。

在本发明的技术方案中，所述的凝胶单体占单体总质量的24～76%，溶剂化单体占单体总质量的23%～75%，改性单体占单体总质量的0.1%～1%。