[发明专利]一种双网络结构凝胶聚合物电解质的制备方法

说明书

本发明涉及纳米复合材料、储能电化学材料技术领域，具体涉及一种双网络结构凝胶聚合物电解质的制备方法，包括细菌纤维素、甲基丙烯酸磺酸甜菜碱、1,3‑丙烷磺酸内酯、乙腈和丙烯酰胺，该制备方法包括以下步骤：(1)细菌纤维素的纯化：细菌纤维素用去离子水冲洗数次，浸泡于浓度为0.1‑0.3mol/L的NaOH溶液中80‑100℃反应0.5‑1h，冷却至室温；(2)细菌纤维素的磺化：将剪裁好的细菌纤维素膜浸泡于0.01‑0.1mol/L的NaIOsubgt;4/subgt;溶液中并充分搅拌；(3)甲基丙烯酸磺酸甜菜碱单体的制备：将0.01‑0.5mol 1,3‑丙烷磺酸内酯和2‑10g乙腈混合均匀。该双网络结构凝胶聚合物电解质的制备方法制备的双网络结构凝胶聚合物电解质具有高保水性，并在多体系电解液中展现出高离子电导率。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料、储能电化学材料技术领域，具体涉及一种双网络结构凝胶聚合物电解质的制备方法。

背景技术

目前，各国对能源的需求急剧增加，超级电容器作为绿色储能器件备受关注，固态超级电容器作为超级电容器的一种结构分支，因其具有安全、环境友好等优点而成为研究热点，固态超级电容器要求电解质具有低电子电导率、室温下高离子电导率和良好的力学性能等特点。

凝胶聚合物电解质(GPE)是固态聚合物电解质中离子电导率较高的一种，既无电解质泄漏的风险，也不具有水系电解质的毒性或有机系电解质的易燃性，GPE根据溶剂类型分为水凝胶聚合物电解质、有机凝胶聚合物电解质、离子液凝胶电解质，GPE主要由聚合物基体、添加剂、导电盐组成，GPE既是离子导电的介质，又起到隔膜的作用，在已有研究中，GPE在室温下的离子电导率通常在10^-5S/cm及以上，例如，以硝酸锂溶液为电解液的聚环氧乙烷/二苯甲酮/磷酸铝钛磷酸酯GPE，离子电导率为8.61×10^-4S/cm；聚环氧乙烷/聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯GPE离子电导率为0.4×10^-3S/cm；以甲酰二甲胺为电解液的聚偏氟乙烯-六氟丙烯基GPE离子电导率为2.35×10^-3S/cm；以甲酰二甲胺/丙酮为电解液的聚偏氟乙烯/聚氨酯/聚碳酸亚丙酯GPE离子电导率为5.32×10^-3S/cm；新型纤维素/亚铁氰化钾GPE离子电导率达1.53×10^-2S/cm。

细菌纤维素又名微生物纤维素，细菌纤维素化学式为(C₆H₁₀O)n，是由β-D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键结合成的直链，链间彼此平行，无分支结构，在三维构架中，同一直链、同平面不同直链等均有氢键作为桥梁连接成致密的网络构型，细菌纤维素由于其独特的三维纳米结构，超细纳米纤维(30-60nm)和较大的比表面积，是一种天然聚合物，细菌纤维素具有纳米级微观结构，是在普通纤维素中不具备的，但在化学意义上依然类归于多糖属性，从而拥有纤维素的全部化学性质，细菌纤维素化学结构是由区域和对映立体选择性的β-1,4-糖苷键的D-呲喃葡萄糖单元组成的多糖，在单元结构中，位于C-2、C-3的仲醇羟基和位于C-6的伯醇羟基可以进行氧化、酯化、磺化、醚化官能团反应，生成大量的醛类、酸类、酯类和醚类等纤维素衍生物系列。

细菌纤维素表面分布大量不具备解离性质的-OH基团，其表面附近不同种类的电荷自由无序的游离在一定范围内，离子滑动层远离细菌纤维素表面，导致其表面电位接近于零，通过对聚合物基体细菌纤维素的改性和共混方式可以有效提高GPE的力学性能及离子电导率，细菌纤维素具有超强的保水能力，对细菌纤维素进行磺化处理，可以在一定条件下使磺酸基团取代多糖的羟基，生成磺化产物，使磺化后的细菌纤维素吸水和保水性更优，因其具有良好的电离性及生物活性，各类材料的磺化改性吸引了众多研究者的目光，从Grotthus机制中可以看出，磺酸根更有利于质子在水中的移动，可提高质子的迁移率，因此在材料中引入磺酸基有利于提高复合材料的离子电导率，多数研究者将磺酸基引入材料中从而应用在电解质膜上。