[发明专利]两性离子超分子水凝胶电解质材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供两性离子超分子水凝胶电解质材料及其制备方法，将丙烯酸(AA)单体和3‑二甲基(甲基丙烯酰氧乙基)丙烷磺酸铵(DMAPS)单体溶于H₂SO₄水溶液中，向上述混合溶液中加入过硫酸铵(APS)作为引发剂，在60‑70℃下引发共聚反应，反应时间为10‑20h后，将得到的两性离子超分子水凝胶在H₂SO₄水溶液中平衡1‑3天后，得到两性离子超分子水凝胶电解质(PAD/H₂SO₄)材料。该水凝胶的超分子网络结构使其具有高离子电导率以及前所未有的机械性能，如高韧性，缺口不敏感和有效的瞬时自愈，有望作为柔性电解质用于具有自修复性能柔性器件的开发应用。

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，更具体地说涉及一种两性离子超分子水凝胶电解质材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，智能电子设备特别是可穿戴和便携式设备的蓬勃发展，对储能器件提出了新要求。为满足其柔韧性、可变形性以及安全性等要求，开发更加智能如具有自我保护、耐热、高电压窗口和针对外部刺激自我修复的智能凝胶聚合物电解质(GPE)引起了越来越多的关注。

然而，便携式设备的紧凑结构在内/外应力作用下易发生变形甚至导致完全断裂，最终致使电池失效甚至产生安全问题。自修复材料由于可主动修复材料内部或外部的损害，其潜在的应用范围自电子器件、人工电子皮肤到软机器人，吸引了学术界和工业界的广泛关注。

相比传统电池，具备自修复性能的储能器件，如自愈合超级电容器(SCs)以及水性锂离子电池等在受到损伤之后缺口部能够自愈，具有更好的环境适应性，因而为提高寿命问题提供了新的解决思路。

目前，绝大多数针对柔性储能器件的研究集中在电极的设计和制备上，但已有策略未能构筑同时具有坚固机械强度和优良电化学性能的轻质柔性SCs，因此，为实现自修复储能器件实际应用，迫切需要开发相应的新型自修复GPE体系。

然而，通常使用的聚乙烯醇(PVA)或聚环氧乙烷(PEO)基智能凝胶聚合物电解质(GPE)既不具有可拉伸性，也无法自愈合。近来研究多致力于通过引入动态键合的方式以改善智能凝胶聚合物电解质(GPE)的机械和电化学性能，但材料相对较低的断裂起始应变(～600％)和较慢的自愈合，使其在大形变下仍易导致疲劳断裂，从而限制了实际应用；另一方面，快速自愈合聚合物如2-脲基-4-嘧啶酮基水凝胶，由于其低的模量而不能满足抵抗外部干扰和变化的影响。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种两性离子超分子水凝胶电解质材料及其制备方法和应用，通过-COO-/SO3-和季铵基之间的离子缔合以及羰基之间的氢键作用等非共价物理交联，一步合成了超分子水凝胶PAD/H₂SO₄，该水凝胶的超分子网络结构使其具有高离子电导率以及前所未有的机械性能，如高韧性，缺口不敏感和有效的瞬时自愈，有望作为柔性电解质用于具有自修复性能柔性器件的开发应用。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

两性离子超分子水凝胶电解质材料及其制备方法，将丙烯酸(AA)单体和3-二甲基(甲基丙烯酰氧乙基)丙烷磺酸铵(DMAPS)单体溶于H₂SO₄水溶液中，向上述混合溶液中加入过硫酸铵(APS)作为引发剂，在60-70℃下引发共聚反应，反应时间为10-20h后，将得到的两性离子超分子水凝胶在H₂SO₄水溶液中平衡1-3天后，得到两性离子超分子水凝胶电解质(PAD/H₂SO₄)材料；