【摘 要】
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作为重要的水系储能器件,超级电容器因其循环寿命长,功率密度高,充放电速度快等优点备受关注。其结构主要由正极、负极和电解质三部分组成,其中电解质作为传输电子和离子的介质,在储能过程中起着举足轻重的作用。水凝胶作为电解质通常由聚合物骨架和液态电解质构成,然而传统水凝胶电解质的导电性差(离子电导率通常小于2 S m-1),力学性能不理想,不足以应对柔性器件所要面临的复杂工作环境如:极端温度、压缩、弯折等
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作为重要的水系储能器件,超级电容器因其循环寿命长,功率密度高,充放电速度快等优点备受关注。其结构主要由正极、负极和电解质三部分组成,其中电解质作为传输电子和离子的介质,在储能过程中起着举足轻重的作用。水凝胶作为电解质通常由聚合物骨架和液态电解质构成,然而传统水凝胶电解质的导电性差(离子电导率通常小于2 S m-1),力学性能不理想,不足以应对柔性器件所要面临的复杂工作环境如:极端温度、压缩、弯折等环境。因此对水凝胶电解质组分进行优化设计,开发多功能水凝胶电解质,提升其电化学性能是目前的研究热点,也是本文的研究方向。本文主要研究如下:（1）在第三章实验体系中:通过在聚合物凝胶骨架中掺杂超分子凝胶,构筑了具有钾离子传输通道的凝胶电解质。可逆的氢键和硼酯键加入,使凝胶电解质具有良好的自愈性能和力学性能。利用鸟嘌呤核苷（Guanosine,G）构筑的钾离子通道的特性结合生物安全性好的聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol,PVA）水凝胶成功制备了含有钾离子通道的超分子PVA-GB水凝胶电解质,基于PVA-GB-112 mg水凝胶电解质的对称型超级电容器器件在电流密度为0.8 A g-1时其比电容大小为209.1 F g-1。该凝胶有70 m S cm-1的高离子电导率和快速自修复能力。该工作成功的构筑了含有钾离子通道的多功能超分子水凝胶电解质,为今后构筑离子通道水凝胶电解质提供了一种良好的方法。（2）在第四章实验体系中:针对传统凝胶电解质导电性差和应用温度范围窄的问题进行了实验的设计。首先,通过向聚乙烯醇中引入阴离子骨架,不仅增加了凝胶的导电性,还增加了电解质电压范围。其次,通过引入乙二醇（Ethylene glycol,EG）增加凝胶抗冻性。该工作制备的阴离子有机水凝胶PVA-CMC-LC具有优异离子导电率:室温下为8.3 S m-1和优异的力学性能,组装的超级电容器工作电压为1.5 V,其电容在电流密度为0.8 A g-1高达320 F g-1,能量密度为24.3Wh kg-1。其宽温度范围内的离子电导率为:-40℃为3.18 S m-1,60℃为9.67 S m-1。综上可知,该工作成功的制备了具有抗冻性且实际应用性较强的阴离子有机水凝胶电解质。（3）在第五章实验体系中:同样是以制备抗冻水凝胶为出发点,采用引入无机盐来制备宽温度范围的水凝胶电解质。通过丙烯酰胺（Acrylamide,AM）与魔芋胶（Amorophophallus Konjac,KGM）的热聚合成了一系列的PK（PAM-KGM）水凝胶电解质。确定浓度为5 M的Li Cl电解液,浸泡时间为12 h时的PK水凝胶电解质电化学性能最佳,当电流密度为0.5 A g-1时,得到的容量大小为189 F g-1。当电流密度为1 A g-1时,当温度-30℃时,其容量依然维持在106 F g-1。本体系通过无机盐溶液的浸泡成功设计合成一种稳定性好且具有抗冻性的水凝胶电解质。
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