[发明专利]可自愈离子液凝胶电解质、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种可自愈离子液凝胶电解质、制备方法及其应用。所述的离子液凝胶电解质以丙烯酸作为单体，通过表面带有双键的二氧化硅纳米颗粒为交联点进行聚合，形成聚丙烯酸三维网络结构。聚丙烯酸链间通过氢键形成可逆非共价键以实现离子液凝胶电解质的自愈性；而作为交联点的二氧化硅纳米颗粒能够在离子液凝胶电解质大变形过程中有效的耗散应力，实现离子液凝胶电解质的高拉伸性。本发明的离子液凝胶电解质具有超高的可拉伸性和优异的自愈合性能，并且愈合后的离子凝胶电解质仍然保持2500％左右的可拉伸性，以其为电解质制备的超级电容器和传感器在便携式柔性、可穿戴器件方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电解质材料技术领域，涉及一种可自愈离子液凝胶电解质、制备方法及其在柔性可拉伸器件中的应用。

背景技术

近年来，随着人工智能和可穿戴设备的发展，具有可弯折、可延展特性的柔性电子器件，在生物医学、能量存储与转换器件、可穿戴设备、医用传感器、便携设备等领域得到广泛研究，优越的自愈性和可拉伸性是实际大规模采用个性化电子产品的关键因素。在生物医学领域，柔性器件的研究主要包括可植入器件和可穿戴医疗设备。植入或可穿戴的器件会直接和皮肤或软组织接触，为了减少给机体带来的不适感，这部分材料的机械柔韧性显得非常重要。在光电设备领域，柔性器件具有许多新的功能，为工业发展开辟了新的领域，其中柔性LED、柔性薄膜场效应晶体管、光电探测器、光电转换器等是主要的研宄方向。在能量转换领域，基于有机材料的柔性太阳能电池及基于聚合物材料的柔性纳米发电机，可作为柔性电子器件的稳定供能电源。

通常制备柔性电子器件来实现自愈性和可拉伸性都会选择水凝胶材料，但是由于其网络结构中低效的能量耗散机制，传统水凝胶往往表现出较差的机械性能。例如，以N-(吡啶-2-yl)丙烯酰胺和丙烯酰氯为单体所制备的有机凝胶断裂应变仅为600％，自愈时间长达12h且最高自愈效率不足50％(J.Mater.Chem.C,2019,7(47),14913-14922)。另外，由于水凝胶内部90％以上都是水，性能会随着外界环境发生变化，水凝胶内部的水分会随着时间蒸发而减少，失水后的水凝胶变得干燥且粗糙，而当温度很低时水凝胶内部水分会发生结晶导致水凝胶冻结，这两种情况下拉伸性和导电性都严重下降，同样限制了凝胶材料的进一步应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高拉伸性的可自愈离子液凝胶电解质、制备方法及其在柔性可拉伸器件中的应用。所述的离子液凝胶电解质以丙烯酸作为单体，通过表面带有双键的二氧化硅纳米颗粒为交联点进行聚合，形成聚丙烯酸三维网络结构。聚丙烯酸链间通过氢键形成可逆非共价键以实现离子液凝胶电解质的自愈性；而作为交联点的二氧化硅纳米颗粒能够在离子液凝胶电解质大变形过程中有效的耗散应力，实现离子液凝胶电解质的高拉伸性。

实现本发明目的的技术方案如下：

可自愈离子液凝胶电解质，以离子液为溶剂，以二氧化硅纳米颗粒为交联剂，以丙烯酸为单体，其中，丙烯酸的浓度为40.33wt％，二氧化硅纳米颗粒的浓度为0.1～0.5wt％，制备方法具体如下：

步骤1，在二氧化硅纳米颗粒的水溶液中加入离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯，加热至混合溶液中的水分完全蒸发，得到二氧化硅纳米颗粒的离子液溶液；

步骤2，在二氧化硅纳米颗粒的离子液溶液中加入丙烯酸和热引发剂过硫酸铵，水浴条件下聚合反应得到可自愈离子液凝胶电解质。

优选地，步骤1中，所述的加热温度为80℃～120℃，加热时间为8～12小时。

优选的，步骤2中，所述的可自愈离子液凝胶电解质中，二氧化硅纳米颗粒的浓度为0.1wt％～0.5wt％，更优选为0.2wt％。

优选的，步骤2中，所述的可自愈离子液凝胶电解质中，丙烯酸的浓度为40.33wt％。

优选地，步骤2中，所述的水浴温度为50℃～60℃，聚合反应时间为48h。