[发明专利]一种聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于化学及其能源电池技术领域，具体涉及一种聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用。

背景技术

染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种高效、廉价、无污染的新型太阳能电池。1991年，首次利用联吡啶钌(II)配合物染料和纳米多孔TiO₂薄膜制备的染料敏化太阳能电池，获得了7.1％的光电转换效率。自此DSSC受到了广大研究者的持续研究并取得长足的发展。美国专利US 6479745中液体电解质组分为0.5mol/L KI、0.05mol/L I₂，溶剂为碳酸丙烯酯，测得室温的电导率为7.2mS.cm^-1。DSSC聚合物电解质作为具有实用性价值的聚合物电解质应满足以下条件：(1)室温离子电导率达10^-3S.cm^-1数量级；(2)与电极界面接触性能良好，界曲电阻小，界面电荷传输速度快；(3)良好的电化学稳定性；(4)良好的加工性能。

但是，基于液体电解质和DSSC存在电池封装困难、溶剂挥发、染料解吸附、腐蚀反电极及寿命短等缺点，而聚合物电解质具有封装简单、廉价、性能稳定等优点，引起了研究者浓厚的兴趣。

发明内容

本发明克服了现有技术中电解质溶液和DSSC存在的电池封装困难、溶剂挥发、染料解吸附、腐蚀反电极及寿命短等缺陷，提出了一种聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用。本发明的聚合物凝胶电解质具有易于封装、电化学稳定性良好等有益效果，本发明提出的聚合物凝胶电解质制备方法具有路线简单，操作条件温和，产物提纯步骤简单，产率高、热稳定性好等优点。

聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)和聚(乙烯基吡啶-丙烯酸酯)在不同溶剂(如腈类、酯类溶剂)中凝胶性不同，本发明创新地提出把两者结合起来，制备聚(乙烯基吡啶-丙烯酸酯)/聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)P(VP-A)/P(VDF-HFP)聚合物/碘化物/I2凝胶电解质，使该高分子电解质不仅具有两种聚合物的优点，还实现更多的新的有益效果，例如，聚合物与体系的相容性得到提高、电解质的电导率得到提高。

本发明聚(乙烯基吡啶-丙烯酸酯)聚合物结构新颖，选择乙烯基吡啶作为单体，由于吡啶基团具有与离子液体相似的分子结构，所以可以与离子液体互溶，提高电导率σ，有利于I离子的迁移；引入丙烯酸酯链段，提高与不同种类溶剂的互溶性能。由于丙烯酸酯类单体的取代基不同，可用不同丙烯酸酯类单体制备玻璃化温度不同的共聚物；引入偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，可以有效降低凝胶电解质的固含量，从而提高电导率和电池效率。用本发明聚合物电解质组装的电池，稳定性好，性价比高，寿命长，无渗漏。

本发明提出了一种聚合物凝胶电解质，其具有如下化学式(I)的结构：

其中，M⁺代表Na⁺、K⁺或Li⁺。R₁代表H或CH₃；R₂代表CH₃、C₄H₉、CH₂CH₂OH或CH₂CH₂CH₂OH或C₇F₁₅。

本发明还提出了所述聚合物凝胶电解质的制备方法，通过聚(乙烯基吡啶-丙烯酸酯)/聚P(VP-A)/P(VDF-HFP)聚合物与氧化还原对碘化物/I₂混合，反应得到所述聚合物凝胶电解质。

本发明聚合物凝胶电解质的制备方法依次包括以下步骤：

步骤(1)：将丙烯酸酯类单体溶于溶剂中；将引发剂溶于溶剂中；向聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)和溶剂的混合物通入氮气并升温，再加入所述丙烯酸酯类单体和引发剂，反应得到P(VP-A)/P(VDF-HFP)聚合物，该聚合物中的P(VP-A)结构如化学式(II)所示，其中，x∶y的个数比为1∶(2.4～4.3)；

R₁代表H或CH₃；R₂代表CH₃、C₄H₉、CH₂CH₂OH或CH₂CH₂CH₂OH或C₇F₁₅。