新型离子液体聚合物电解质的制备及性能研究

摘要

开发新的高离子电导率聚合物电解质，应用于各种固态电化学装置中，引起了大家广泛的兴趣，这是由于其固有的性质，如可薄膜化，灵活性，高离子电导率和宽的电化学窗口。离子液体由于其可忽略不计的低蒸气压，高离子电导率，良好的热和电化学稳定性，被认为是聚合物-盐体系中合适的电解质盐。本文合成了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚(甲基丙烯酸甲酯-1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐)[P(MMA-VBIMBr)]，并以此为基体，离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)为增塑剂，制备了一系列离子液体聚合物电解质。主要研究内容如下:
　　(1)以N-乙烯基咪唑和正溴丁烷为原料合成了离子液体1-乙烯基-3-丁基咪唑溴(VBIMBr)，然后将其与甲基丙烯酸甲酯(MMA)通过自由基溶液聚合法制备了P(MMA-VBIMBr)，采用IR、1H NMR对目标产物结构进行表征。并分别对其合成条件进行了优化。合成VBIMBr的最佳工艺条件为:反应时间6h，反应温度为80℃，投料比为1∶1.1。在此工艺条件下，VBIMBr的产率可达到91.30％。合成P(MMA-VBIMBr)的最佳工艺条件为:以氯仿为溶剂，引发剂AIBN用量为1％，反应温度为70℃，反应时间6h，P(MMA-VBIMBr)收率可达92.74％。
　　(2)以PMMA和P(MMA-VBIMBr)为聚合物基体，离子液体BMIMBF4为增塑剂，采用溶液浇注法制备了BMIMBF4/PMMA和BMIMBF4/P(MMA-VBIMBr)两类离子液体聚合物电解质，采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)和电化学交流阻抗(EIS)等方法对聚合物和聚合物电解质的性质进行了研究。测试结果表明:BMIMBF4/PMMA型和BMIMBF4/P(MMA-VBIMBr)型电解质膜均具有较高的热稳定性，分别为250℃和270℃，通过共聚改性后稳定性略有提高;且前者机械稳定性差，后者则表现出良好的柔韧性;当BMIMBF4/PMMA和BMIMBF4/P(MMA-VBIMBr)的质量比为1∶2，单体投料摩尔比为n(MMA)∶n(VBIMBr)=7∶3时，聚合物成膜的综合性能最好，此时它们的电导率分别是0.50×10-3S/cm和2.77×10-3S/cm(20℃)，电压窗口分别为3.5V和2V。且离子电导率随着温度的升高而迅速增加，电导率-温度曲线符合Arrhenius方程。
　　本论文的创新之处在于，采用共聚的方法对PMMA基体进行改性，通过自由基溶液共聚合成了无规共聚物P(MMA-VBIMBr)。新的聚合物基体中离子液体结构的引入，不仅改变了聚合物链段的运动能力，同时也可以有效地降低聚合物的玻璃化转变温度;而且，共聚上的离子液体可以提供离子源，增加电解质中载流子浓度，有利于离子的传输，从而达到进一步提高了离子液体聚合物电解质的电导率的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物电解质概述

1．2．1 聚合物电解质的组成和分类

1．2．2 聚合物电解质的导电机理

1．2．3 聚合物电解质的改性

1．3 离子液体概述

1．3．1 离子液体的种类与合成

1．3．2 离子液体的性质

1．3．3 离子液体在电化学中的应用

1．4 离子液体聚合物电解质

1．4．1 离子液体聚合物电解质的特点

1．4．2 离子液体聚合物电解质的种类

1．4．3 离子液体聚合物电解质的研究进展

1．5 本论文的主要研究内容及创新点

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 创新点

第2章 PMMA基聚合物基体的制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂及处理

2．2．2 实验仪器

2．2．3 聚甲基丙烯酸甲酯的合成

2．2．4 甲基丙烯酸甲酯-1-乙烯基-3-丁基咪唑溴共聚物的合成

2．3 测试与表征

2．3．1 聚合产物收率的测定

2．3．2 红外光谱分析

2．3．3 核磁光谱分析

2．4 结果与讨论

2．4．1 溶剂对离子液体VBImBr产率的影响

2．4．2 反应时间对离子液体VBImBr产率的影响

2．4．3 反应温度对离子液体VBImBr产率的影响

2．4．4 投料摩尔比对离子液体VBImBr产率的影响

2．4．5 共聚机理分析

2．4．6 引发剂的量对P(MMA-VBIMBr)收率的影响

2．4．7 反应温度对P(MMA-VBIMBr)收率的影响

2．4．8 反应时间对P(MMA-VBIMBr)收率的影响

2．5 本章小结

第3章 离子液体聚合物电解质的制备与性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．2 P(MMA-VBIMBr)共聚物的制备

3．2．3 离子液体聚合物电解质的制备

3．2．4 聚合物电解质的表征

3．2．5 聚合物电解质的电化学测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 XRD分析

3．3．2 TGA分析

3．3．3 SEM分析

3．3．4 离子电导率

3．3．5 电化学稳定性

3．4 本章小结

第4章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢