PVA-CA-KOH-H2O系碱性聚合物电解质的制备及性能研究

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本论文对聚合电解质的发展、分类、基本特性及其测试方法进行了评述,同时介绍了聚合物电解质的离子传导模型,并着重回顾了碱性聚合物电解质的研究进展。在文献和实验基础上,研究了PVA(聚乙烯醇)-CA(丙烯酸)-KOH-H2O体系碱性固体聚合物电解质膜的成分配比、制备工艺及其对电性能的影响,并对离子导电机理进行了初步探讨。本实验采用溶液浇铸法制备了PVA-CA-KOH-H2O系列碱性固体聚合物电解质。结合正交设计实验和单因素实验研究了碱浓度、水分含量、以及CA对固体电解质离子电导率、电化学稳定性的影响,通过红外光谱、X衍射分析和差热分析等手段研究其结构与离子导电性能的关系,摸索本实验条件下的最优方案。实验结果表明:正交试验分析得出制备工艺因素对PVA-CA-KOH-H2O体系固体电解质离子电导率的影响顺序为KOH浓度>CA的量>PVA浓度>搅拌时间。初步优化方案为PVA∶CA∶KOH=3∶1.5∶6。随着碱含量的增加,PVA-CA-KOH-H2O体系的聚合物电解质的离子电导率不断升高,直至达到最大值0.1818S/cm(KOH/PVA比值为3.3时),之后电导率开始下降;温度与离子电导率关系基本遵循Arrhenius方程,说明聚合物内离子通过晶体空位的替换进行迁移。碱含量对电化学稳定窗口的影响不大,都在3.6V左右。聚合物结构分析表明:碱性固体聚合物电解质中凝聚态结构以非晶态为主,仅有少量的晶态;KOH与PVA之间都有一定的缔合作用,这种作用不仅破坏了聚合物链段的规整性,能够降低聚合物的结晶度,增大无定形区域,提高链段运动的能力,同时这种作用限制K+离子的运动,提高OH-的迁移率,从而提高离子电导率;碱性聚合物电解质的离子传导主要发生在无定形区。CA同PVA以共混结合,但CA加入可提高KOH的溶解能力,增加体系的载流子浓度,从而提高体系的离子电导率。水分的含量对体系的离子电导率的影响较显著,当水分含量小于30wt%时,电导率较低,且变化缓慢,但超过30wt%时,能在体系里较好地形成电导相,因此电导率急剧上升。
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