自阻燃海洋高分子凝胶电解质在全固态超级电容器中的应用

来源 :青岛大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ZHANGLIAO2009
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随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展,探索具有高能量密度和优异安全性的高性能储能装置成为首要任务。超级电容器(SCs)作为解决不可再生化石燃料资源稀缺问题的重要储能装置之一,因其具有更高的功率密度,快速充放电效率和长循环寿命等突出特点而被广泛关注。传统的液态SCs存在电解质泄漏、质量大、不柔性、安全性差等问题限制了其在新一代电子设备中的应用。使用聚合物凝胶作为电解质的全固态超级电容器(SSCs)很好的解决了传统SCs的缺点,可以极大的满足人们对于轻便、柔性、高安全性的电子产品的需求。其中,凝胶聚合物电解质(GPEs)的开发是发展SSCs的关键。已经报道的GPEs大多是不可再生的聚合物,由于这些聚合物在空气中的易燃性使电子设备仍然存在安全隐患。因此,开发一种高性能、自阻燃的绿色可再生GPEs非常具有实际意义。海洋天然高分子(海藻酸盐、卡拉胶)是一种天然的、可再生的、环境友好的生物质大分子,因为具有良好的生物相容性和生物可降解性已经被广泛用于食品添加剂、化妆品原料和医疗材料等领域。海洋天然高分子(海藻酸盐、卡拉胶)的自凝胶特性使其能够应用于SSCs的GPEs。其次,海藻酸盐、卡拉胶具有无定形结构,在一定程度上可以提高GPEs的离子电导率。最重要的是,海藻酸盐、卡拉胶具有本质自阻燃性,可以从根本上预防电子设备发生自燃。因此由海洋天然高分子(海藻酸盐、卡拉胶)作为聚合物主体制备的GPEs非常具有潜在价值。本论文以海洋天然高分子(海藻酸盐、卡拉胶)及其共混物为聚合物主体,通过简单的溶液浇铸法制备得到三种GPEs,并对其物理、电化学性能进行研究。(1)以海藻酸锂(Li-Alg)为聚合物主体,乙酸锂(LiOAc)为电解质盐,通过溶液浇铸、刮涂等一系列过程,成功制备具有高离子电导率的自阻燃GPE(Li-Alg/LiOAc-2M FRGPE)。所得Li-Alg/LiOAc-2M FRGPE具有35的超高极限氧指数(LOI)和32.6 mS cm-1的优异离子电导率。Li-Alg/LiOAc-2M FRGPE膜可以在0.85MPa的断裂强度下拉伸至原来的1.2倍。将Li-Alg/LiOAc-2M FRGPE应用于活性炭基SSC时表现出高比电容(电流密度为5 mA cm-2时为185.7 mF cm-2)。在高温下使用的含有Li-Alg/LiOAc FRGPE的软包装SSC不会发生任何的尺寸变形。(2)以聚乙烯醇(PVA)和卡拉胶(Car)的共混物(PC)为聚合物主体,LiOAc为电解质盐,成功制备具有高离子电导率的自阻燃GPE(PC30 FRGPE)。所得PC30FRGPE具有30的LOI和34.13 mS cm-1的离子电导率。PC30 FRGPE膜可以在0.4MPa的断裂强度下拉伸至原来的1.2倍。当PC30 FRGPE应用于活性炭基SSC时,在5 mA cm-2的电流密度下具有222 mF cm-2的面积比电容。PC30 FRGPE基SSC在弯曲状态仍然能够点亮LED小灯。(3)以Li-Alg和Car共混物(A/C)为聚合物主体,LiOAc为电解质盐,成功制备具有高离子电导率的自阻燃GPE(A/C-50 FRGPE)。所得A/C-50 FRGPE具有45.7 mS cm-1的离子电导率。Li-Alg的加入提高了整体的机械强度,A/C-50 FRGPE膜可以在180 kPa的断裂强度下拉伸至原来的1.75倍。A/C-50 FRGPE基SSC在5mA cm-2的电流密度下具有243.96 mF cm-2的高面积比电容。
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