耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质及其制备和应用，所述水凝胶电解质包括太阳能驱动光热材料、高分子聚合物骨架、交联剂和金属盐溶液，所述太阳能驱动光热材料为过渡金属硫化物。所述制备方法包括以下步骤：(1)取高分子聚合物单体和交联剂溶于水混合，进行反应，得到生成有高分子聚合物骨架的反应液；(2)在反应液中加入过渡金属硫化物，形成分散体；(3)然后将分散体放在模具中冷冻干燥，形成水凝胶；(4)将冻干后的水凝胶取出放入金属盐溶液中浸泡。与现有技术相比，本发明专利技术得到的水凝胶具有太阳能驱动、耐寒、可发生光热效应等特性，可用在超级电容器中。可用在超级电容器中。可用在超级电容器中。

【技术实现步骤摘要】
耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及储能领域，具体涉及一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质及其制备和应用。

技术介绍

[0002]随着全球能源需求的不断增长，人们对开发高效储能装置提出了更高的要求。超级电容器作为一种新型的储能器件，因其充放电速度快、工作寿命长而受到人们的广泛关注。
[0003]电解质包括液体电解质和固体电解质，是超级电容器不可缺少的组成部分。与液体电解质相比，固体电解质电导率低是影响储能器件高性能的主要缺点。而由于聚合物水凝胶电解质在室温下较高的导电性，逐渐成为高性能固态超级电容器研究中的热点。
[0004]水凝胶材料作为潜在的电解质之一，具有丰富且可修饰的物理化学性质，已广泛应用于各种多功能电化学储能装置和电子器件中，包括超级电容器、电池、摩擦电纳米发电机、电子皮肤等。尽管水凝胶电解质由于其保水性、柔韧性、粘附性、拉伸性甚至自愈合性等特性而具有显著的性能优势，但较差的低温性能仍然严重阻碍了水凝胶电解质基器件和电子器件在极地和其他寒冷环境中的进一步应用。
[0005]因此，实现水凝胶电解质的低温防冻性能和提高离子电导率是扩大水凝胶电解质应用范围的重要挑战。在水凝胶中加入有机液体是获得防冻水凝胶的一种方法。常用的有机液体包括乙二醇、甘油、二甲基亚砜等。在这些二元/三元体系中，有机液体与水分子的相互作用被认为是抑制冰晶晶格形成的主要原因。然而，由于有机液体的存在，这些水凝胶要么不导电，要么导电率低。此外，有机液体的挥发性和高自燃性也使有机水凝胶电解质造成了严重的安全危害。
[0006]专利CN112898596A公开了一种水凝胶电解质及其超级电容器，所述水凝胶电解质由以下方法制得：在引发剂的作用下，将含有聚合单体、高分子聚合物和水中的聚合单体聚合形成水凝胶电解质聚合物前体，然后将水凝胶电解质聚合物前体浸泡在无机盐和锌盐的水溶液中。该专利所制备出的水凝胶电解质虽然具有很好的机械强度和柔韧性，但是并未公开该水凝胶电解质可用于光热领域和水凝胶耐寒方面，所以并未对此进行相应的结构和组成设计使其具有相应的光热效应和耐寒性。而本专利技术一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质采用不同方法制得：在交联剂的作用下将高分子聚合物单体聚合形成高分子聚合物骨架，然后将过渡金属硫化物分散在高分子聚合物骨架中，经冷冻干燥后浸泡在饱和的金属盐溶液中。本专利技术与该专利不同之处在于：本专利技术在高分子聚合物骨架中加入了光热材料过渡金属硫化物，使得凝胶电解质具有光热效应；本专利技术所加入的盐溶液浓度为饱和溶液，饱和盐溶液可以有效降低电解质的凝固点，使得凝胶电解质在低温下具有优异的导电性能，从而赋予了凝胶电解质耐寒的特性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的第一个目的就是提供一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质，所述水凝胶电解质包括太阳能驱动光热材料、高分子聚合物骨架、交联剂和金属盐溶液，所述太阳能驱动光热材料为过渡金属硫化物。
[0010]所述过渡金属硫化物包括二硫化钼(MoS2)或二硫化钨(WS2)，二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)用作光热材料，将其加入水凝胶高分子骨架中，在太阳光的照射下，水凝胶电解质可发生光热效应。
[0011]所述高分子聚合物骨架的组成单体包括聚乙烯醇(PVA)、琼脂糖或海藻酸钠中的一种或多种，高分子聚合物骨架起到包裹电解质和光热材料的作用。
[0012]在水凝胶电解质中，高分子聚合物骨架和交联剂的质量比为(0.5～2):4，优选为1:4。
[0013]所述交联剂包括N,N
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二甲基丙烯酰胺(DMAA)和N,N
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亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，交联剂与高分子聚合物单体中的羟基发生缩合反应产生网状结构，以便电解质离子快速转移，增加离子的导电性能。
[0014]当交联剂为N,N
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二甲基丙烯酰胺(DMAA)和N,N
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亚甲基双丙烯酰胺的混合时，N,N
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二甲基丙烯酰胺(DMAA)和N,N
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亚甲基双丙烯酰胺的质量比为1:3。
[0015]所述金属盐溶液包括醋酸钠溶液(NaAc)、醋酸钾溶液(KAc)、氯化钠溶液(NaCl)和氯化钾溶液(KCl)。
[0016]在水凝胶电解质中，所述金属盐溶液的浓度为饱和浓度，饱和溶液即金属盐固体在液体中溶解直至不能再溶解为止，饱和的金属盐溶液可以有效降低水凝胶的凝固点，使得凝胶电解质在低温下具有优异的导电性能，从而赋予了凝胶电解质耐寒的特性。
[0017]所述水凝胶电解质呈现出多孔的网状结构。
[0018]本专利技术的第二个目的就是提供一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0019](1)取高分子聚合物单体和交联剂溶于水混合，进行反应，得到生成有高分子聚合物骨架的反应液；
[0020](2)在反应液中加入过渡金属硫化物，形成分散体；
[0021](3)然后将分散体放在模具中冷冻干燥，形成水凝胶；
[0022](4)将冻干后的水凝胶取出放入金属盐溶液中浸泡。
[0023]步骤(1)中，高分子聚合物单体和水的质量比为(0.5～2):10，优选为1:10。
[0024]步骤(1)中，当交联剂为N,N
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二甲基丙烯酰胺(DMAA)和N,N
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亚甲基双丙烯酰胺的混合时，N,N
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二甲基丙烯酰胺和水的质量比为1:10，N,N
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亚甲基双丙烯酰胺和水的质量比为3:10。
[0025]步骤(1)中，混合时，水的温度为80～100摄氏度，优选为90摄氏度，在高温下高分子聚合物单体可在水中溶解并与交联剂发生反应，在室温下则无法溶解，也不发生反应。
[0026]步骤(2)中，在分散体中，过渡金属硫化物的浓度为0.2～1.0mg/mL，优选为0.8mg/mL。
[0027]步骤(3)中，冷冻干燥的温度为
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50～
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30℃，优选为
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40℃，冷冻干燥的时间为2.5～3.5h，优选为3h。
[0028]步骤(3)中，所述模具的材质为聚四氟乙烯，便于后续去除水凝胶，且不与水凝胶进行反应。
[0029]步骤(4)中，金属盐溶液和步骤(1)中所取的水的体积比为(40～60):1，优选为50:1。
[0030]步骤(4)中，在金属盐溶液中浸泡22～26h，优选为24h。
[0031]本专利技术的第三个目的就是提供一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质在超级电容器中的应用。将水凝胶电解质直接和碳纤维电极组成超级电容器进行使用。
[0032]研究表明过渡金属二硫化物(TMDs)，如二硫化钼纳米片和二硫化钨纳米片，已本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质，其特征在于，所述水凝胶电解质包括太阳能驱动光热材料、高分子聚合物骨架、交联剂和金属盐溶液，所述太阳能驱动光热材料为过渡金属硫化物。2.根据权利要求1所述的一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质，其特征在于，所述过渡金属硫化物包括二硫化钼和二硫化钨。3.根据权利要求1所述的一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质，其特征在于，所述高分子聚合物骨架的组成单体包括聚乙烯醇、琼脂糖或海藻酸钠中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质，其特征在于，在水凝胶电解质中，高分子聚合物骨架和交联剂的质量比为1:4。5.根据权利要求1所述的一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质，其特征在于，所述交联剂包括N,N
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二甲基丙烯酰胺和N,N
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亚甲基双丙烯酰胺。6.根据权利要求5所述的一种耐寒太阳能驱动光热效应水凝胶电解质，其特征在于，当交联剂为N,N
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二甲基丙烯酰胺和N,N
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【专利技术属性】
技术研发人员：韩生，张君，黄锐，李雪剑，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：