三维连通网络结构凝胶聚合物电解质研究.pdf
摘要
化石能源日趋枯竭，急需可再生能源的开发和利用，而可再生能源又存在间
歇性和不稳定性，因此，储能技术开发迫在眉睫，其中，超级电容器和二次电池
作为高效储能器件备受关注。但传统的液态电解质存在易燃、易泄露等风险，开
发新型的具有超高离子电导率的凝胶聚合物电解质提高器件的安全性和循环稳定
性势在必行。
本文以化学交联丙烯酰胺和丙烯酸共聚物[P(AA-co-AM)]作为第一网络形成
一级大孔骨架结构，物理交联聚乙烯醇和海藻酸钠（PVA/SA）作为第二网络形成
次级大孔网络结构，构建了具有三维连通多级大孔网络结构的水凝胶聚合物。研
究了AA与AM不同质量比、PVA与SA不同质量比对凝胶微观形貌、结构和性
能的影响。研究了单宁酸（TA）添加量对凝胶结构及性能的影响。采用扫描电镜、
X-射线衍射仪、红外光谱仪、综合热分析仪、比表面分析仪、拉伸试验机及电化
学工作站等对凝胶的微观形貌、物相、官能团、热稳定性、比表面积、力学性能、
离子电导率等进行了分析。水凝胶通过电解液活化获得一系列凝胶聚合物电解质
（GPEs），研究了不同凝胶电解质体系的离子电导性能。以商业活性炭（AC）为
电极材料，以GPEs@6MKOH为电解质组装凝胶系对称超级电容器AC//GPE//AC。
以自制纳米线状MnO为正极，Zn箔为负极，以GPEs@2MZnSO+0.2MMnSO
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作为电解质，组装凝胶系锌离子电池Zn//GPE//MnO。采用电化学工作站和电池测
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试系统分别对凝胶系和水系器件的循环伏安曲线、恒流充放电曲线、Nyquist曲线、
循环稳定性以及恒电流间歇滴定曲线等进行了测试，并对比分析了凝胶系与水系
器件的电化学性能。
结果表明：当PVA与SA质量比为3:1，AA与AM质量比为1:1，TA添加量
为0.01wt.%时，凝胶呈现出最佳的三维连通多级大孔网络结构。该水凝胶断裂伸
长率高达1695%，断裂能和弹性模量分别为14.40MJ/m3
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和100.3kPa，TA的引入明显提升了凝胶的力学性能。室温下不同电解液体系的凝
胶电解质GPEs@3MHSO、GPEs@6MKOH和GPEs@2MZnSO+0.2MMnSO
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的离子电导率分别高达0.20、0.25和0.029S/cm。以该凝胶电解质组装的超级电
容器AC//GPE//AC在1A/g电流密度下150,000次充放电循环比电容保持率高达
100%，组装的凝胶系锌离子电池Zn//GPE//MnO在1A/g电流密度下1000次充放
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电循环后容量保持率为40%，凝胶系器件循环稳定性比水系均有明显提升。超高
的离子电导率、优异的循环稳定性以及力学性能等为凝胶聚合物电解质在储能
器件中的实际应用奠定了研究基础。
关键词：三维网络结构，凝胶聚合物电解质，锌离子电池，超级电容器，离子电
导率，电化学性能
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StudyonGelPolymerElectrolyteswith3DConnected
NetworkStructure
Abstract
Fossilenergyisexhausteddaybyday,andtheexploitationandutilizationof
renewableenergyisinurgentneed.Therefore,theexploitationofenergystorage
technologyisimminent.Amongt