【摘 要】
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水凝胶电解质由亲水性聚合物、水以及导电离子构成,具有柔软、可变形、安全以及环境友好等特点,在构建可承受变形以及耐物理破坏的柔性超级电容器方面具有显著优势。然而,由亲水性聚合物和电解质直接组合形成的水凝胶电解质往往具备较差的拉伸性、自愈合能力,以及较低的离子电导率;通过在水凝胶聚合物网络中引入动态键是解决这些关键科学技术瓶颈的重要方向。本研究基于动态的亚胺键、硼酸酯键网络交联点,构建滑移型聚合物网络
【基金项目】
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国家自然科学基金(51773172,51673161); 福建省科技创新平台(2014H2016); 福建省科技重大专项(2018HZ0001-1)
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水凝胶电解质由亲水性聚合物、水以及导电离子构成,具有柔软、可变形、安全以及环境友好等特点,在构建可承受变形以及耐物理破坏的柔性超级电容器方面具有显著优势。然而,由亲水性聚合物和电解质直接组合形成的水凝胶电解质往往具备较差的拉伸性、自愈合能力,以及较低的离子电导率;通过在水凝胶聚合物网络中引入动态键是解决这些关键科学技术瓶颈的重要方向。本研究基于动态的亚胺键、硼酸酯键网络交联点,构建滑移型聚合物网络,发展一种具有较高拉伸、快速自愈合的水凝胶及其制备方法。该水凝胶对不同的电解质具有较高的容纳性能,所制备的水凝胶电解质不仅具备良好机械性能、快速自修复能力,而且展现出良好的离子传导性能。本研究立足滑移型网络聚合物水凝胶及其凝胶电解质的结构和性能调控规律研究,进一步将其应用到柔性超级电容器领域,为高性能可穿戴设备的设计提供借鉴。主要研究内容如下:(1)以聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙烯醇(PVA)和4-甲酰基苯硼酸(Bn)为原料,通过动态亚胺键以及硼酸酯键交联制备了滑移型网络的PEI-PVA-Bn水凝胶。采用红外(FT-IR)以及元素分析(XPS)手段表征了水凝胶中动态键(亚胺键、硼酸酯键)的生成以及滑移型网络的基本结构特征;借助核磁共振氢谱(1H NMR)分析了水凝胶中聚合物网络与水分子之间的氢键作用。PEI-PVA-Bn水凝胶的力学性能、自愈合性能可通过Bn交联剂含量、PEI分子量和两种聚合物质量比进行调控。交联剂含量为0.5 wt%、PEI分子量为1800 g mol-1、聚合物质量比为1:1时所构建的PEI-PVA-Bn水凝胶具有最优性能,机械强度达~59.5 kPa,1429%拉伸未断裂、2 min内可实现100%的应变自愈合效率。(2)将不同种类电解质(LiCl、NaCl、KCl和离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物(AMC))以及不同含量的LiCl引入到PEI-PVA-Bn水凝胶,构筑了水凝胶电解质。研究了不同组成下水凝胶电解质的力学性能、自愈合性能以及离子传导性能。结果表明,PEI-PVA-Bn水凝胶交联体系对不同电解质都展示了出色的容纳性。其中PEI-PVA-Bn-LiCl水凝胶电解质表现出优异的力学性能(力学拉伸强度为34.6 kPa,断裂伸长率1223%)、自愈合性能(愈合2 min后的应变自愈合效率为94.3%)以及高导电性(21.49 mS cm-1)。利用1H NMR证实了电解质与水凝胶聚合物交联网络之间的相互作用机制。结果表明,电解质可与氨基和亚胺键的氮原子之间形成强结合力。(3)利用综合性能优异的PEI-PVA-Bn-LiCl水凝胶电解质与多壁碳纳米管(MWCNT)电极组装了夹层型柔性超级电容器,探讨了基于该水凝胶电解质的柔性超级电容器的电化学性能与机械性能。结果表明,该器件具有1.4 V的较宽的工作电势窗口、16.7 mF cm-2的面积比电容、高达10,000次的充电/放电循环稳定性和较好的耐弯曲形变能力。
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