聚乙烯醇基聚合物活性凝胶电解质在超级电容器中的研究

The polyvinyl alcohol (PVA) based polymer with good mechanics properties, high electrical conductivity can be prepared by grafting acrylamide, acrylic acid or ball mill blending polyacrylamide polymers using polyvinyl alcohol as raw materials, and a redox mediat polymer gel electrolyte can also be prepaed by doping redox mediat (anthraquinone compounds) using solution casting method. The polymer gel electrolyte properties such as viscosity, bending, compressing, stretching which can be effect by the structure and composition of the polymer will be studied, the affect about the structure and amount of the anthraquinone compounds on the ionic conductivity of the electrolyte, supercapacitor capacitance, energy density, cycle stability, and self-discharge will also be studied. The factors which affect the polymer gel mechanical properties and conductivity, the interaction between the polymer gel and anthraquinone compounds, charge movement mechanism in the polymer gel and the structure of the anthraquinone compounds that can affect the performance of the polymer gel electrolyte will be clarified. Poor mechanical properties, low ionic conductivity of the polymer gel electrolyte, and low capacitor and self-discharge performance of the supercapacitor will be solved. A series of excellent performance flexible supercapacitors can be prepared, which can broaden the applications of supercapacitor, saving oil resources, improve the increasingly serious energy and environmental problems.

以聚乙烯醇(PVA)为基体材料，通过接枝丙烯酰胺、丙烯酸，或与聚丙烯酰胺类聚合物球磨共混对其进行力学和电化学性能改性，制备力学性能好、电导率高的聚乙烯醇基聚合物；采用溶液浇铸法将活性介质(蒽醌类化合物)掺杂到凝胶电解质中，制备具有氧化还原活性的超级电容器用聚合物活性凝胶电解质。研究聚合物的结构、组成对电解质的粘度、弯曲、压缩、拉伸等机械性能影响，蒽醌类化合物结构、用量对电解质离子电导率，超级电容器比电容，能量密度，循环稳定性，自放电等的影响。阐明影响聚合物凝胶机械性能和导电性的因素，聚合物凝胶与蒽醌类化合物之间的相互作用，电荷在聚合物凝胶中运动机理，蒽醌类化合物结构对活性聚合物凝胶电解质性能的影响规律。解决聚合物凝胶电解质机械性能差，离子电导率低，超级电容器能量密度小、自放电等问题。制备系列性能优异的柔性超级电容器，拓宽电容器的应用领域，节约石油资源，改善日益严重的能源、环境问题。

随着社会发展及人民对美好生活的追求，新能源、尤其是清洁能源的开发利用越来越引起人们关注。在众多能量储存及转换器件中，超级电容器因高功率密度、快速充放电及超长循环寿命等优点得到广泛应用。目前，随着柔性电子产品的快速发展，其能源系统也需要向柔性和高效性方向发展，因此超级电容器的柔性化研究成为目前的研究热点之一。.本项目以聚乙烯醇(PVA)为主要材料，以制备机械性能、电化学性能优异的柔性超级电容器为基本目的，进行了以下研究：① 在聚乙烯醇凝胶中添加蒽醌类化合物(AQSS、AQSA等)制备活性聚合物凝胶电解质，解决了凝胶电解质离子电导率差的问题，部分器件在功率密度为600 W kg-1时能量密度可达33.6 Wh kg-1；②以聚乙烯醇、聚丙烯酰胺(PAM)等凝胶为基底，通过在其表面原位聚合聚吡咯(PPy)等，制备了一体化结构柔性超级电容器，解决了常见柔性电容器电极与电解质间粘结力差，易脱落、界面阻力大等问题，部分器件在不同压缩形变（0%、25% 和50%）状态下和400次反复的压缩-释放循环过程中，表现出稳定的电化学性能和良好的机械性能；③ 在聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等凝胶中，通过添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、植酸(PA)、琼脂(Agar)、硼砂等，制备了具有自修复性能的凝胶电解质，并通过原位接枝聚合制备了一体化器件，部分器件经过五次切割-愈合和弯曲(180o)后，器件的比电容仍可以达到初始状态的85％，并且经过10,000次循环，电容仍可以达到初始状态的81%；④ 针对影响超级电容器性能的因素，本项目同时进行了隔膜、电极材料(特殊结构碳、蒽醌类化合物修饰的多孔碳、金属化合物、多孔碳-金属化合物、碳-导电聚合物等)研究，取得了部分成果。.总之，本项目解决了超级电容器研究领域的部分关键问题，阐明了部分关键理论，获得了系列性能优异的柔性超级电容器器件，能为本领域的研究及应用提供理论及技术支持。