聚芳醚/纳米类流体聚合物电解质组成结构的调控及固态超级电容器的构建

Solid-state supercapacitor, a new-type energy storage device, plays a unique role in the field of small, portable electronic devices. Polymer electrolyte is one of the critical components in the solid-state supercapacitor and make a decisive effect on the performance of the supercapacitor. From the perspective of design and preparation of composite materials, poly(arylene ether) with excellent comprehensive properties and good Li-ionic conductivity will be prepared as the resin matrix, and nonvolatile and nanofluids with outstanding thermal stabilities will be synthesized as plasticizer in this project. The polymer electrolytes will be formed with resin matrix, plasticizer and a neutral, environmentally friendly, non-corrosive supporting electrolytic salt (Li+) and the interrelation between the composition structure (structures of poly(arylene ether)s and nanofluids, mass ratio of poly(arylene ether)/nanofluids/supporting electrolytic salt) and properties of the polymer electrolyte will be analyzed. The solid-sate supercapacitor single cell will be constructed with the novel polymer electrolyte. On the basic of the relationship between the comprehensive properties of polymer electrolyte and the performance of the solid-state supercapacitor, the key research on the relationship between the performance of the supercapacitor and the composition structure of the polymer electrolyte will be carried out. The system of structure-activity relationship will be established between the polymer electrolyte and supercapacitor to realize the target that the regulation of composition structure of polymer electrolyte guides optimization of the performance of the solid-state supercapacitor.

固态超级电容器作为一种新型储能元件在小型、便携式电子器件领域占据着重要地位。聚合物电解质是固态超级电容器的主要组成部分，对于超级电容器的效能起决定性作用。本课题将从复合材料的设计与制备角度出发，设计合成综合性能优异的具有锂离子传导能力的聚芳醚共聚物作为骨架材料，零蒸汽压、高热稳定的纳米类流体作为塑化剂，结合环境适应性强、无腐蚀性的中性锂盐作为传导物质，形成新型聚合物电解质，并研究其结构组成（聚芳醚结构、纳米类流体结构、锂盐种类及聚芳醚/纳米类流体/锂盐组成比例）与综合性能之间的关系。构建基于聚芳醚/纳米类流体聚合物电解质的固态超级电容器单体器件，以分析聚合物电解质综合性能与固态超级电容器工作效能之间的关系为基础，重点研究聚合物电解质的组成结构与固态超级电容器工作效能之间的关系，建立聚合物电解质和固态超级电容器的构效关系体系，实现聚合物电解质组成结构调控指导优化固态超级电容器工作效能的目标。

固态柔性超级电容器是重要的新型储能元件。项目设计制备了不同分子结构的聚芳醚共聚物，结合不同的增塑剂、不同含量的纳米类流体和电解质盐构建了聚合物电解质，组装了固态柔性超级电容器；通过控制聚合物电解质的组成结构，调控了固态柔性超级电容器的电化学效能，建立了聚合物电解质-固态超级电容器的构效关系体系。研究了不同聚合物电解质骨架对于电解质离子的传输机理，建立了聚芳醚分子结构调控离子传输的调控体系；分析了纳米类流体等增塑剂含量调控对于超级电容器效能控制机制。为后续的聚芳醚/纳米类流体聚合物电解质材料的开发和利用提供理论和技术支撑。. 设计制备了可交联季铵型聚芳醚砜及聚醚侧链型聚芳醚砜两种共聚物作为聚合物电解质骨架，结合中性水相硫酸锂形成了凝胶聚合物电解质，离子传导率均达到10-4 S cm-1以上，电化学窗口能够达到1.5 V，赋予超级电容器优异的双电层电容特性，较高的能量密度；由于引入了亲水性侧基/侧链，使聚合物电解质与电极之间的界面亲和性提升，减小了超级电容器的内电阻，优化了超级电容器的效能。. 以磺化聚醚醚酮锂盐（SPEEK-Li）为聚合物骨架，结合液态PEG-K，以及中性盐LiClO4，构建了聚合物电解质，当PEG-K含量达到50%时，LiClO4不再结晶，形成透明凝胶态聚合物电解质，组装的超级电容器具有优异的电化学性能：在1.5 A g-1的电流密度下，比电容值能够达约140 F g-1；但是，进一步增加PEG-K会稀释电解质盐的浓度，反而使电化学性能下降。. 通过条件优化，制备了室温具有流动性的含有聚醚链段的氧化石墨烯纳米类流体，结合SPEEK-Li骨架和LiClO4电解质盐，构建了聚合物电解质，当纳米类流体含量低时，体系中可传输锂离子的聚醚链段少，离子传导能力差，超级电容器的电化学效能低。随着纳米类流体含量提升到50%时，超级电容器的电化学效能提升明显，且超级电容器具有优异的柔韧性，即使超级电容器弯曲180°时，依然能够维持优异的双电层充放电行为，电位窗口能够达到1.5 V，能量密度能够达到7.9 W h kg-1。