[发明专利]一种基于凝胶聚合物电解质的超级电容器及其制备方法

说明书

本发明属于储能领域，涉及一种基于凝胶聚合物电解质高性能全固态超级电容器及其制备方法，超级电容器包括电极及电极之间的凝胶聚合物电解质。所述阻燃凝胶聚合物电解质，包括凝胶聚合物和双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)，双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)以离子形式存在于凝胶聚合物中。聚(HFBA₈‑co‑HEMA₁)电解质基SC的电极的质量比电容在8000次循环后仍可保持76％；基于凝胶的SC在多个弯曲循环下基本上保持不变。基于凝胶的SC具有良好的低温耐受性，并且可以在‑20℃至60℃的温度范围内正常工作。凝胶电解质的多重优点扩展了其在离子导体和能量存储设备中的应用，解决了传统的液体电解质由于易挥发，易燃且易于泄漏等缺点。

技术领域

本发明属于储能领域，涉及一种基于凝胶聚合物电解质的全固态超级电容器及其制备方法。尤其是涉及一种基于阻燃，高导电性和耐低温凝胶聚合物电解质的全固态超级电容器及其制备方法

背景技术

电动汽车和便携式可穿戴电子设备的发展，使得对锂离子电池和超级电容器等能量存储设备的需求飞速增长。

超级电容器电极材料和电解质的性能是影响超级电容器性能的决定性因素。当前，储能装置中使用的大多数电解质是有机液体(有机酯或醚)和锂盐的组合。有机液体最常见的选择之一是碳酸亚乙酯和线性碳酸酯(碳酸二乙酯或碳酸二甲酯)的混合物。然而，当储能设备过充或发生短路时，液态电解质因为热稳定性较差、易燃、容易泄漏的缺点而使该设备存在燃烧和爆炸等安全风险。固态聚合物电解质不易燃，但是，固态聚合物电解质在室温下仅有～10^-4-10^-6S cm^-1的离子电导率，且与电极的界面接触不良(X.Cheng,J.Pan,Y.Zhao,M.Liao,H.Peng,Adv.Energy Mater.8(2017)1702184)，限制了其实际应用。

凝胶聚合物电解质具有高离子电导率和良好的机械性能，但是，在零下温度下，水凝胶电解质由于水的结冰而导致电导率急剧下降。由有机溶剂制成的凝胶聚合物电解质在低温下更具优势，但是仍然存在燃烧的问题。Wen等[D.Xu,J.Su,J.Jin,C.Sun,Y.Ruan,C.Chen,Z.Wen,Adv.Energy Mater.9(2019)1900611]报道了使用不易燃的磷酸三乙酯作为溶剂的聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯基凝胶聚合物电解质。然而，有机磷酸酯溶剂的引入将导致聚合物电解质的电导率降低。另外，有机磷酸盐倾向于在石墨阳极的表面上形成不稳定的固体-电解质-中间相膜，这会导致在第一次充电过程中石墨剥落和连续的电解质分解。这些问题都需要进一步研究解决。

如何使得电容器在低温下持续工作且具有阻燃、高离子电导率和良好的机械性能，是行业性的难题。

发明内容

为了解决传统的超级电容器中液体电解质由于易挥发，易燃且易于泄漏等缺点，使得超级电容器在过充和短路的情况下不会发生燃烧和爆炸的问题，本发明提供一种基于凝胶聚合物电解质的全固态超级电容器及其制备方法，使用阻燃凝胶聚合物电解质；利用阻燃剂(DOPO)的活性P-H键接枝到聚合物链上得到阻燃凝胶聚合物电解质，然后用于制备超级电容器。在进行性能测试时，我们吃惊的发现，基于凝胶聚合物电解质的超级电容器具有良好的阻燃能力、良好的低温耐受性、良好的柔韧性及稳定性等多重优点。

本发明提供一种超级电容器，包括电极及电极之间的凝胶聚合物电解质。所述阻燃凝胶聚合物电解质，包括结构为下式(I)的凝胶聚合物和双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)：

m：n：q＝(1～10)：1：(0.0002～0.0006)；

其中，双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)以离子形式存在于式(I)所示的凝胶聚合物中。

本发明还提供电容器的制备方法，包括下列步骤：