[发明专利]一种超分子水凝胶及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种超分子水凝胶及其制备和应用，制备时先将超分子聚合物单体丙烯酸、多酚衍生物、FeCl₃·6H₂O以及无机盐混合；再将引发剂溶液加入混合液中，在超声条件下利用自由基聚合技术即可完成制备。所得超分子水凝胶具有优异的离子电导率，用于固态柔性超级电容器中作为电解质可提高器件的面积比电容，能量密度以及功率密度；此外，该水凝胶的制作成本低廉，制备和应用操作简单、易回收，可应用于柔性可穿戴电子器件的能源装置。

技术领域

本发明涉及储能设备技术领域，具体涉及一种超分子水凝胶及其制备方法和其在柔性可穿戴电子设备能源装置上的应用。

背景技术

随着便携式电子器件、可穿戴电子器件、微电子器件、可打印电子器件、智能纺织品、表皮电子等集成化的柔性可穿戴电子产品的逐渐普及，消费者对器件性能提出了越来越高的要求，这也促使本领域研究人员和相关制造厂商不断深入挖掘现有材料的潜力并着力研发新的高性能材料；经研究发现，利用聚合物凝胶电解质组成的全固态超级电容器(SSCs)因具有更薄、更轻、廉价、柔性等特点，在穿戴式和便携式电子设备的能源装置领域具有很大的实际应用潜力。

目前，合成凝胶最常用的均聚物是聚乙烯醇、聚丙烯酸。虽然聚乙烯醇侧链上的羟基可以吸引一定数量的水分子，但由于碳链较长，亲水侧链基团数量不足，与聚丙烯酸水凝胶相比，可能会削弱聚合物与水分子的相互作用，进而导致材料保水性能差，离子电导率不理想，也会影响长期稳定性，危害电子设备的使用寿命，降低产能输出。

近年来，聚丙烯酸因其优越的保水能力受到广泛的研究，但是聚丙烯酸水凝胶的刚性过强，所以作为电解质时与电极材料界面阻力较大，这会降低柔性超级电容器的比电容。

天然的多酚存在于木材、茶叶和浆果中，多酚结构由五个共价连接至中央葡萄糖核的二没食子酰基组成。其中的没食子酰基官能团提供了多个螯合位点，可以协调多种过渡金属。在聚丙烯酸中添加多酚衍生物有效地降低了凝胶的刚性，是用于制成水凝胶的理想原料。

如中国专利CN 111363072 A公开一种基于具有等离子效应的多酚-银纳米酶的水凝胶制备方法，其利用引发剂，含双键单体，特定金属离子及含酚羟基的有机物自聚合成胶，含酚羟基的有机物可有效降低凝胶的刚性，且在进一步调控银离子的浓度后可使得制备出的水凝胶具备优异的力学性能，该专利还重点研究了所得复合材料的催化活性，发现其可用于催化过硫酸盐的降解；但是未针对该类水凝胶材料的光学透明性、电化学性能进行重点改进研究，对于如何获得高比功率密度和比能量密度的凝胶材料是不清楚的，因此能否高效应用在柔性电子可穿戴器件能源装置领域是未知的。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种超分子水凝胶及其制备和应用，通过调控各原料比例和实验参数使得制备出的水凝胶具有高离子电导率，用于固态柔性超级电容器中作为电解质时可提高器件的面积比电容，比能量密度以及比功率密度。

本发明公开的技术方案为：一种超分子水凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：

S1、将丙烯酸单体、多酚衍生物、FeCl₃·6H₂O以及无机盐加入到去离子水中，在室温条件下搅拌混合，得到溶液A；

多酚衍生物的结构通式如下：

其中，R₁、R₂、R₃、R₄为下列结构中的任意一种：

S2、在去离子水中加入引发剂，在室温下搅拌混合形成溶液B；

S3、取一定量的溶液A置于容器中，放入超声仪器中，震荡条件下向容器中加入溶液B，在超声仪器中通过自由基聚合技术制备超分子水凝胶；