接枝改性大豆分离蛋白基聚合物电解质的制备及超级电容器性能研究

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中文摘要：随着科技进步，电子器件逐渐小型化，液态电解质由于安全和体积等问题无法完全满足超级电容器的使用要求，兼具传输离子和阻隔电子双重作用的聚合物电解质得到快速发展，聚合物基体作为其骨架严重影响器件的性能。目前大多数的聚合物基体材料都是不可降解的合成高分子材料，不符合绿色环保理念，因此以生物质材料作为基体材料受到关注。大豆分离蛋白（Soyproteinisolate,SPI）是来源广泛的天然高分子材料，具有成膜和亲水等特性，富含氨基和羟基等可反应性官能团，能够根据应用需求设计、改性制备性能优异的聚合物基体材料，其中，接枝改性反应过程可控，备受关注。相较于二次电池，超级电容器的能量密度仍较低，将氧化还原活性物质引入聚合物电解质中是提升超级电容器能量密度行之有效的方法。综上，本论文以SPI作为聚合物电解质基体材料，通过添加氧化还原活性物质、接枝两种不同单体提升超级电容器的电化学性能。以SPI为基体材料，与电位窗口较宽的中性电解质硫酸锂（Li2SO4）结合制备SPI基聚合物电解质，并加入不同质量的氧化还原活性物质碘化钾（KI），制备一系列不同KI含量的氧化还原聚合物电解质。（1）当添加KI的质量占Li2SO4质量的100%时，GPE-100wt%KI的离子传导率达到2.54mScm-1，与未添加KI的聚合物电解质相比，增加了30.93%。（2）GPE-xwt%KI与活性炭电极组装成超级电容器（SC-xwt%KI），SC-100wt%KI具有最优异的电化学性能，单电极比电容和能量密度明显增加，电流密度为0.8Ag-1时，单电极比电容和能量密度增加约3倍，分别为224.20Fg-1、16.02Whkg-1。（3）SC-100wt%KI在不同角度下的电化学性能几乎没有变化，表明其具有优异的柔性；三个串联的SC-100wt%KI为发光二极管供能数分钟，表明其具有良好的应用性能；经过1500次连续充放电循环后，电容值仍大于未加KI的超级电容器的电容值。为了提高SPI与电解质的亲和能力，提高超级电容器的电化学性能。将不同含量的甲基丙烯酸（MAA）接枝改性SPI，引入亲水性官能团—羧基，制备了一系列改性SPI基聚合物电解质（GPE-SPI-g-PMAA-X）和超级电容器（SC-SPI-g-PMAA-X）。（1）当MAA的添加量为SPI质量两倍时，具有最优的综合性能。GPE-SPI-g-PMAA-2的离子传导率为4.72mScm-1，与GPE-SPI相比，提升157.92%。（2）SC-SPI-g-PMAA-2的电化学性能得到提升，电流密度为0.5Ag-1时，SC-SPI-g-PMAA-2的单电极比电容和能量密度分别为132.63Fg-1、9.83Whkg-1。（3）SC-SPI-g-PMAA-2具有优异的柔性、良好的应用性和循环稳定性，且电化学性能优于由市售亲水性PP/PE复合膜组装超级电容器的电化学性能。（4）添加KI后，超级电容器的电化学性能得到了进一步提升，在1.0Ag-1的电流密度下，单电极比电容提升162.02%，能量密度提升168.43%。目前，聚丙烯酰胺作为聚合物电解质的基体材料受到广泛关注。因此，将丙烯酰胺（AM）作为功能性单体接枝改性SPI，将不同含量的AM接枝到SPI，引入亲水性官能团—氨基，制备了改性SPI基聚合物电解质。（1）加入AM的质量为SPI的两倍时，具有最高的接枝率，且GPE-SPI-g-PAM-2具有最大的离子传导率，为5.10mScm-1。（2）将性能最优的聚合物电解质与活性炭电极组装成超级电容器SC-SPI-g-PAM-2，其具有优异的电化学性能。在低电流密度（0.5Ag-1）下，单电极比电容为145.88Fg-1，增加至低电流密度（5.0Ag-1）时，电容保持率为92.06%。（3）SC-SPI-g-PAM-2具有良好的应用性和优异的循环稳定性，电化学性能优于由市售亲水性PP/PE复合膜组装SC的电化学性能。（4）添加KI后，超级电容器电化学性能得到了进一步提升，在0.5Ag-1的电流密度下，单电极比电容达到365.76Fg-1，提高了150.73%。

作者：

寻之玉

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关键词：

超级电容器聚合物电解质大豆分离蛋白赝电容接枝改性

授予学位：

硕士

学科专业：

生物材料工程

导师：

霍鹏飞

学位年度：

2021

学位授予单位：

东北林业大学

语种：

中文

中图分类号：