聚离子液体是以离子液体为重复单元的一类聚电解质,兼具离子液体的独特性质和高分子的力学性能,具有电导率高、电化学窗口宽、挥发性低、热稳定性好等优点,有望用于开发高性能柔性电解质及相关柔性电子设备。因此研究聚离子液体凝胶电解质的合成及其性能具有重要意义。
基于上述背景,北京大学化学与分子工程学院翟茂林教授课题组采用γ射线辐射方法,以1-乙烯基-3-烷基咪唑六氟磷酸盐(CnvimPF6)为单体,1,1''-(1,6亚己基)-双(3-乙烯基咪唑)六氟磷酸盐为交联剂,混合碳酸酯为溶剂制备得到有机聚离子液体凝胶(PCnvimPF6),并研究了其辐射聚合、交联的规律,咪唑阳离子单体中的烷基链越长越有利于交联反应 (图1)。热重分析(图2)表明形成凝胶电解质后,凝胶电解质的热稳定性有了明显提高。
图1 PCnvimPF6 的凝胶分数及平衡溶胀度与吸收剂量的关系
图2 (a) PC6vimPF6 干凝胶; (b) PC12vimPF6 干凝胶; (c) PC12vimPF6 凝胶; (d) PC6vimPF6 凝胶; (e) 混合碳酸酯溶剂的TGA曲线
在此基础上,在单体溶液中加入六氟磷酸锂,一步辐射法制备得到亲脂性的PCnvimPF6-LiPF6凝胶电解质(PCnvimPF6-Li GPE)(图3)。
图3 PCnvimPF6-Li GPE的合成示意图
辐射合成的PCnvimPF6-Li GPE具有良好的力学性能和高离子电导率,通过改变单体侧链长度,单体及交联剂浓度可优化合成凝胶的性能。提高烷基侧链长度,单体浓度及交联剂浓度有利于提高合成凝胶的力学性能(图4),减小单体浓度有利于提高电导率, 而交联剂浓度影响不大(图5)。研究表明,PCnvimPF6-Li GPE的力学性能主要与交联密度有关,而电导率主要与聚离子液体网络、可移动离子和包含溶剂的比例有关。
图 4 单体浓度及交联剂含量对PCnvimPF6-Li GPE力学性能的影响
图5 单体浓度及交联剂含量对PCnvimPF6-Li GPE电导率的影响
李幸晓硕士研究生是该论文的第一作者,翟茂林教授为通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金(基金号11375019)的资助。
论文链接:http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2017.17210
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