CN101859046A - 聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，1)将2.5-14g锂盐或钾盐溶解于去离子水中，配成浓度为0.5-2mol/L的溶液；或将2.5-10g锂盐或钾盐溶解于有机溶剂PC和丙酮中，配成浓度为0.5-1mol/L的溶液。2)将30-130g PVP粉末溶解于上述溶液中，得到粘稠电解质，所用PVP的分子量介于8000-1300000；在所得粘稠电解质中，PVP所占的百分含量为：在含水型电解质中占45-55％；在非水型电解质中占25-35％；3)将所得粘稠电解质涂敷或填充至相应器件中，在室温下蒸发后形成固体电解质。本发明工艺简单、操作简便、成本低，可以根据不同需求制备含水型与非水型固体电解质。

Description

聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法
技术领域
本发明涉及一种固体电解质。特别是涉及一种电化学性能稳定和机械性能良好的多用途的聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法。
背景技术
液体电解质已被广泛应用于移动通讯、电动交通工具、电子表的电池和超级电容器，以及用作电致变色器件的电解质。但是这些使用液体电解质的电子器件具有很多的缺点：如器件封装困难；电池易产生气胀、漏液等问题，易造成电子器件的腐蚀和损坏；可能出现起火和***等事故；应用于大面积的电致变色智能窗等大型器件中，液体电解质是一个很大的安全隐患。而采用聚合物固体电解质，则可有效克服液体电解质的上述缺陷。同时，由于聚合物良好的粘结性能，使得组装的器件牢固可靠，安全性能显著提高，从而可应用于对安全性要求较高的电动交通工具、电致变色智能窗、航天器和军事等领域。
聚合物电解质一般由聚合物基体和无机盐组成，具有离子导电能力，可用于电池、超级电容器和电致变色等器件。当用于电致变色器件时，可同时起到电解质和隔膜的作用。它除了提供电致变色材料所需的补偿离子(如Li+，Na+，K+等)外，还需要有较高的离子电导率、机械强度，同时还必须具有良好的透光率。聚氧化乙烯(PEO)是目前研究最多的聚合物电解质基体材料。但是，室温下PEO与碱金属盐的络合物结晶度很高，所得电解质的电导率很低，不能满足当前对快速充放电电池、超级容器和快速响应电致变色器件的使用要求。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基体的聚合物电解质具有较高的离子电导率，与金属锂电极的界面稳定性和相容性较好，再加上PMMA原料丰富、价格低廉、制备简单，从而引起了研究者们的兴趣。然而，PMMA基聚合物电解质的机械强度较差，限制了它的应用。聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物也具有较高的离子电导率、良好的机械强度和化学稳定性，近来研究较多，但其单体的制备用到剧毒的氟化氢，生产过程危险。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一种水溶性的聚合物，具有很强的粘接能力，易获得牢固稳定的全固态电子器件。它具有优良的生理惰性和生物相容性，不参与人体的新陈代谢，对皮肤、粘膜、眼睛等无刺激。PVP已广泛用于制造定型液、喷发胶及摩丝的定型剂、护发剂的遮光剂、香波的泡沫稳定剂及染发剂中的分散剂和亲合剂，纸张、纺织印染等工业中用作分散剂、成膜剂及乳化剂等助剂。PVP的生产工艺简单、安全、成本低。PVP具有优良的溶解性和明显的溶胀作用，溶于水中可以使溶液的体积达到所用溶剂体积的两倍。溶胀后的溶液中含有PVP高分子长链形成的网络结构，失去部分水分后形成聚合物凝胶，同时表面结膜。PVP的这种性质使其网络结构可容纳大量的导电离子，同时又具有较高的机械强度，非常适合用作锂离子电池、超级电容器和电致变色器件的电解质基体。因此，PVP基聚合物电解质的开发具有重要意义。然而，目前还未见任何有关PVP用于聚合物电解质的文献报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种操作简便、成本低、电化学性能稳定和机械性能良好的多用途的聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法。
本发明所采用的技术方案是：一种聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，包括如下步骤：
1)将2.5-14g锂盐或钾盐溶解于去离子水中，配成浓度为0.5-2mol/L的溶液；或将2.5-10g锂盐或钾盐溶解于有机溶剂PC和丙酮中，配成浓度为0.5-1mol/L的溶液。
2)将30-130g PVP粉末溶解于上述溶液中，得到粘稠电解质，所用PVP的分子量介于8000-1300000；在所得粘稠电解质中，PVP所占的百分含量为：在含水型电解质中占45-55％；在非水型电解质中占25-35％；
3)将所得粘稠电解质涂敷或填充至相应器件中，在室温下蒸发后形成固体电解质。
所述的锂盐是高氯酸锂、四氟硼酸锂、硫酸锂或氯化锂中的一种。
所述的钾盐是氯化钾、硫酸钾、四氟硼酸钾和六氟磷酸钾中的一种。
本发明的聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，具有如下优点与有益效果：
1)采用水溶性的聚合物PVP为固体电解质的基体材料，既可溶于水也可溶于有机溶剂，可以根据不同需求制备含水型与非水型固体电解质。含水型的固体电解质成本更低、更环保，是一种环境友好型固体电解质。
2)PVP无臭、无味、物理化学性质稳定；原料来源广泛、易得；粘接能力强、机械性能优良；具有成膜性；具有优良的生理惰性和生物相容性，对皮肤、粘膜、眼等无任何刺激。
3)所得固体电解质离子电导率高，用于电致变色器件中显示出快速响应的电致变色性能。
4)多种无机、有机的锂盐和钾盐均可用作导电电解质。
5)工艺简单、操作简便、成本低。
附图说明
图1a是本发明所制备的固体电解质驱动的小型电致变色器件着色的可逆颜色变化的效果图；
图1b是本发明所制备的固体电解质驱动的小型电致变色器件漂白的可逆颜色变化的效果图；
图2a是本发明所制备的固体电解质驱动的大面积电致变色器件着色的可逆颜色变化效果图；
图2b是本发明所制备的固体电解质驱动的大面积电致变色器件漂白的可逆颜色变化效果图；
图3是本发明所制备的固体电解质的电致变色器件着色/漂白过程中电流随时间的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法做出详细说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明的聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，包括如下步骤：
1)将2.5-14g锂盐或钾盐溶解于去离子水中，配成浓度为0.5-2mol/L的溶液；或将2.5-10g锂盐或钾盐溶解于有机溶剂PC和丙酮中，配成浓度为0.5-1mol/L的溶液；
所述的锂盐是高氯酸锂、四氟硼酸锂、硫酸锂或氯化锂中的一种；
所述的钾盐是氯化钾、硫酸钾、四氟硼酸钾和六氟磷酸钾中的一种；
2)将30-130g PVP粉末溶解于上述溶液中，得到粘稠电解质，所用PVP的分子量介于8000-1300000；在所得粘稠电解质中，PVP所占的百分含量为：在含水型电解质中占45-55％；在非水型电解质中占25-35％；
3)将所得粘稠电解质涂敷或填充至相应器件中，在室温下蒸发后形成固体电解质。
图1a、图1b是使用本发明所制备的固体电解质驱动的小型(长2厘米、宽1.5厘米)电致变色器件着色/漂白的可逆颜色变化，如图所示，从蓝色到无色的可逆颜色转变说明该固体电解质具有良好的电化学性能，同时器件显示出良好的机械性能。
图2a、图2b是使用本发明所制备的固体电解质驱动的大面积(长20厘米、宽18厘米)电致变色器件着色/漂白的可逆颜色变化，如图所示，显示出用于电致变色智能窗的潜力。
图3是使用本发明所制备的固体电解质的电致变色器件着色/漂白过程中电流随时间的变化曲线，如图所示，电流在短时间内从最大到趋于零，说明本发明所制备的固体电解质离子导电率高、该电解质驱动的电致变色器件响应速度快。
实施例1：
一种聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，是由如下步骤完成：
1)将11g氯化钾溶解于100mL去离子水中，得到浓度为1.1mol/L的溶液。
2)将125g PVP加入上述溶液，在室温或加热下搅拌使其溶解，得到粘稠溶液。
3)将所得粘稠溶液转移到相应器件中，在室温下蒸发后得到固体电解质。
实施例2
一种聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，是由如下步骤完成：
1)将8g高氯酸锂溶解于100mL去离子水中，得到0.8mol/L的溶液。
2)将95g PVP加入上述溶液，在室温或加热下搅拌使其溶解，得到粘稠溶液。
3)将所得粘稠溶液转移到相应器件中，在室温下蒸发后得到固体电解质。
实施例3
一种聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，是由如下步骤完成：
1)将4g高氯酸锂溶解于50mL PC中，得到0.7mol/L的溶液。
2)将35g PVP加入上述溶液，再加入20mL丙酮，将容器密封后，在室温或加热下搅拌使其溶解，得到粘稠溶液。
3)将所得粘稠溶液转移到相应器件中，在室温下蒸发后得到固体电解质。
实施例4
一种聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，是由如下步骤完成：
1)将7g六氟磷酸钾溶解于50mL PC中，得到0.8mol/L的溶液。
2)将35g PVP加入上述溶液，再加入20mL丙酮，将容器密封后，在室温或加热下搅拌，得到粘稠溶液。
3)将所得粘稠溶液转移到相应器件中，在室温下蒸发后得到固体电解质。

Claims (3)

1.一种聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将2.5-14g锂盐或钾盐溶解于去离子水中，配成浓度为0.5-2mol/L的溶液；或将2.5-10g锂盐或钾盐溶解于有机溶剂PC和丙酮中，配成浓度为0.5-1mol/L的溶液；
2)将30-130g PVP粉末溶解于上述溶液中，得到粘稠电解质，所用PVP的分子量介于8000-1300000；在所得粘稠电解质中，PVP所占的百分含量为：在含水型电解质中占45-55％；在非水型电解质中占25-35％；
3)将所得粘稠电解质涂敷或填充至相应器件中，在室温下蒸发后形成固体电解质。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，其特征在于：所述的锂盐是高氯酸锂、四氟硼酸锂、硫酸锂或氯化锂中的一种。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯吡咯烷酮基固体电解质的制备方法，其特征在于：所述的钾盐是氯化钾、硫酸钾、四氟硼酸钾和六氟磷酸钾中的一种。
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