高分子电解质

1.概述

在大分子链上带有可离子化的基团的水溶性高分子化合物称为高分子电解质,也称为聚电解质.高分子电解质在室温下电导率可达0.0001-0.001S/CM,具有良好的饶曲性、粘弹性能和应变性能，并因具有良好的透光性可制成透明薄膜;同时由于高分子电解质固化后具有一定的黏附力和良好的机械强度而便于器件的组装，所以成为全固态器件的首选材料。另外由于高分子电解质还具有絮凝、增稠、减阻、分散和电离等性能，已经被广泛的应用到环境保护、石油化工、印染与造纸、制药等行业具有很大的应用市场。

在能源日益缺乏的今天，高分子电解质的研究尤为重要，近年来有关高分子电解质的研究主要集中在保持力学性能的前提下提高室温离子传导率等方面。

2、高分子电解质的分类

按来源:天然高分子电解质、化学改性高分子电解质、合成高分子电解质

按形态:高分子全固态电解质、分子凝胶电解质

按离子类型:阳离子聚电解质、阴离子聚电解质、两性高分子电解质

按结构:主链带离子团的高分子电解质、侧链带梳状离子基团的高分子电解质、中性单体与离子单体的共聚物

按传输离子:质子导电电解质、离子导电电解质

按高分子基团:醚类、酯类、胺类等

3、高分子固体电解质的结构和性能

高分子固体电解质材料是由高分子主体物和金属盐两部分复合而成。其中高分子含有起配位作用的给电子基团，所以高分子主体物所含基团的数目与性质、大分子链的柔顺性及稳定性等对高分子电解质的性能均有重要影响。聚醚、聚酯、聚亚

胺、聚硅氧烷衍生物常用做高分子电解质主体物。PEO和碱金属组成的配合体系是研究最多的高分子电解质体系，PEO作为离子传导基质，碱金属离子作为电荷载流子源，起离子导电机理是:在分子链的醚氧原子的作用下金属盐解离为电荷载流子，离子借助高分子的近程链段运动，在高分子介质中迁移而表现出离子导电能。另外可通过化学方法和物理方法对高分子主体物进行改性，以降低高分子玻璃化温度和结晶度，达到提高室温离子传导率的目的。

4、高分子电解质的制备

(1)阳离子聚电解质的合成:

1)单体共聚法:通过阳离子型单体的共聚反应获得阳离子聚电解质。该方法由于阳离子单体种类有限，合成工艺复杂和制备成本较高等缺点，应用受到限制。

2)高分子化学反应法:以天然或合成高分子为母体，通过高分子链上的基团与阳离子化试剂的化学反应，获得阳离子聚电解质的方法。与1)比较合成工艺相对简单，目前应用较多的有天然高分子如淀粉、纤维素等和合成高分子如PS、PVC、聚乙烯醇等阳离子化改性物。

(2)阳离子聚电解质的合成

1)聚丙烯酸盐的合成:首先由丙烯酸或丙烯酸酯与金属的氢氧化物中和或皂化制备(甲基)丙烯酸的铵、钠、钾、镍等盐的单体，然后用水溶性氧化还原引发剂引发丙烯酸盐单体的自由基水溶液聚合。

2)聚苯乙烯磺酸盐的合成:有两条合成路线，一是苯乙烯磺酸盐聚合，二是苯乙烯的磺化反应制备。

3)苯乙烯磺酸盐的合成:由乙烯磺酸盐钠单体在水溶液中自由基聚合制备。

4)羟甲基纤维素的合成:将富含纤维素的棉短绒或木质纸浆纤维用氢氧化钠溶液处理后，与氯乙酸钠在50-70度反应。可的羟甲基纤维素。

(3)两性高分子电解质的合成

1)阳离子单体与阴离子单体的共聚

2)离子对单体聚合:通过阴离子单体的银盐与阳离子单体的碘离子反应，或酸

碱性不同单体间的中和反应制备离子对单体聚合，即可得到与溶液的PH值无关的离子对两性高分子。

5、其他新型高分子电解质

(1)高分子阳离子导体

可以分为两种类型:共混型和共聚型

(2)“离子-电子”混合导体:用电活性物质取代一般高分子固体电解质PEO/碱

金属盐复合物中的碱金属盐可制备离子-电子混合导体.如利用复合物的电子导电性,是其作为电氧化还原反应的固体电解质成功地合成出聚吡咯/高分子固体电解质双层膜.

(3)含新型盐类高分子固体电解质

用双氟磺酰亚胺锂代替PEO/碱金属盐符合物中的碱金属盐,制备出具有较低玻

璃化转变温度和高离子导电性的高分子固体电解质.其中双氟磺酰亚胺锂既提供离子导电所需的电荷载流子.又充当增塑剂以降低材料的玻璃化温度,因此符合物在室温下呈现非晶态结构,并具有高达0.001S/CM.

(5)纳米复合材料电解质:通过添加纳米级超细的无机粉末到PEO/LIX或

PPO/LIX配合物内所形成的符合型电解质.无机纳米材料的加入,由于破坏了PEO或PPO中的晶区结构,增大了无形区的含量,使得配合体系的离子传导率大幅度提高,

达到0.00001S/CM.同时也大大提高了体系的机械加工性能.

6、高分子电解质的应用

由于高分子电解质的电导率不高，目前在工业上主要用做塑料、橡胶、纤维的抗静电剂。另外高分子电解质还被广泛应用于石油化工、造纸、医药、轻纺的工业废水及城市污水的处理，是一类高品质的絮凝剂。同时高分子电解质还兼有特殊的

脱色、脱油、除浊、除微生物、除细菌、杀病毒、吸附农药和多种化学成分及重金属等作用。常用于废水处理的高分子电解质有聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺等。

高分子电解质在造纸及石油工业中的应用也很广泛。

利用高分子电解质的分散、粘稠、黏结和成膜等性能，在涂料生产中被用作成膜物质;利用高分子电解质的水溶性和黏结性，淀粉衍生物等在纺织业作为重要的纺织纸浆使用;利用高分子电解质的分散性和粘稠性，羟甲基纤维素和海藻酸钠作为印染分散剂和粘稠剂。

另外高分子固体电解质在电池、电致变色器件、传感器等方面也有广泛的应用，特别是使用高频分子固体电解质，彻底解决了传统电池液漏和安全性不好的问题，所以在离子电池和锂离子电池电解质方面，具有很好的发展前景～