[发明专利]一种防冻两性离子水凝胶电解质及其应用

说明书

本发明属于超级电容器领域，涉及一种新型两性离子聚合物水凝胶电解质及其用途。所述电解质为polySH电解质，为LiCl结合的聚(SBMA‑HEA)电解质，Li⁺通过聚合物链上的两性离子基团进行跳跃式迁移；拉曼光谱中，‑SO₃^‑中的S＝O伸缩振动为1044cm^‑1～1054cm^‑1，‑N⁺(CH₃)₂中的CH₃伸缩振动为2953cm^‑1～2957cm^‑1。LiCl的加入极大地影响了电解质体系中水分子和聚合物结构，使polySH电解质在低温下具有良好的抗冻性和高的离子电导率。polySH电解质甚至可以在‑40℃下可以拉伸至325％的应变和压缩至75％的应变。

技术领域

本发明属于超级电容器领域，涉及一种新型两性离子聚合物水凝胶电解质及其用途。

背景技术

随着全球能源需求的不断增长，对开发高效储能装置提出了更高的要求。超级电容器作为一种新型的储能器件，因其充放电速度快、工作寿命长而受到人们的广泛关注。

电解质包括液体电解质和固体电解质，是超级电容器不可缺少的组成部分。固态电解质主要有无机固态电解质和聚合物固态电解质，这些电解质虽然都能在一定程度上提高器件安全性，但是，无机固态电解质(包括氧化物和硫化物)虽然电导率高(可达10^-3S cm^-1)，但是与电极之间的界面电阻大，并且易脆，不易加工，目前难以规模化；聚合物固态电解质克服了无机固态电解质的局限性，但是室温离子电导率低(10^-4～10-6S cm^-1)。水凝胶固态电解质作为一种准固态电解质，性质介于液体和固态电解质之间，离子电导率可以大幅提高，具有更广泛的应用空间。但是水凝胶型固态电解质在低于零度冰点时，水结冰导致电解质变硬、变脆、离子电导率下降甚至不导电，这些都限制了水凝胶固态电解质在低温环境(如深海、航空航天领域)中的应用。

水凝胶电容器对低温环境的耐受性差，限制了其应用。因此，实现水凝胶电解质的低温防冻性能和提高离子电导率是扩大水凝胶电解质应用范围的重要挑战。在水凝胶中加入有机液体是获得防冻水凝胶的一种方法。常用的有机液体包括乙二醇、甘油、二甲基亚砜等。在这些二元/三元体系中，有机液体与水分子的相互作用被认为是抑制冰晶晶格形成的主要原因。然而，由于有机液体的存在，这些水凝胶要么不导电，要么导电率低。此外，有机液体的挥发性和高自燃性对有机水凝胶电解质造成了严重的安全危害。

发明内容

本发明的目的，是针对现有技术的不足，提供一种两性离子聚合物水凝胶电解质及其用途。两性离子聚合物水凝胶电解质不仅具有良好的防冻性能，而且具有较高的导电性，尤其是低温下的高导电性。

本发明提供一种两性离子防冻水凝胶电解质，其特征在于，所述电解质为polySH电解质。

所述polySH电解质，为在LiCl存在下的聚(SBMA-HEA)电解质，Li⁺通过聚合物链上的两性离子基团进行跳跃式迁移；拉曼光谱中，-SO₃^-中的S＝O伸缩振动为1044cm^-1～1054cm^-1，-N⁺(CH₃)₂中的CH₃伸缩振动为2953cm^-1～2957cm^-1。

LiCl的加入首先破坏了原本水凝胶体系中两性离子间的电荷平衡，使得Li⁺与-SO₃^-结合，并以此为结合位点进行跳跃式迁移，另外Li⁺作为一种强水化离子可以与水分子相互作用形成Li⁺(H₂O)n结构。这有利于提高水凝胶电解质的离子导电率和防冻性。