一种木材基电解质及其制备方法和应用

本发明涉及电解质材料，具体涉及一种木材基电解质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电化学储能器件(例如：超级电容器、锂电池等)具有循环性能好、使用寿命长、无污染等优点，其在便携式电子器件、电动车、物联网等领域得到了广泛应用。然而，现有的电化学储能器件在进行快速充放电的过程中由于热量、气体和离子的积累容易发生热失控，从而可能会引发火灾和爆炸事故，其安全性是当前亟待解决的难题。

2、研究发现，通过将可逆相转变聚合物加入电解质，在温度达到热失控临界温度(约70℃)时电解质会发生溶胶-凝胶转变，可以阻碍离子的传输，从而阻断电路，实现自保护效果，最终可以避免电化学储能器件发生热失控。然而，目前基于可逆相转变聚合物的电解质在常温时的电化学性能较差，且其在较温和的温度范围(20℃～50℃)内电化学性能会随着温度升高而逐渐降低，难以保证电化学储能器件在正常状态下的工作需求。

3、因此，开发一种在正常温度下具有优良的电化学性能、在达到热失控临界温度时能够快速自保护的电解质具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种木材基电解质及其制备方法和应用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种木材基电解质的制备方法包括以下步骤：

4、1)将木材浸入亚氯酸钠溶液中进行脱木质素处理，得到脱木质素木材；

5、2)将脱木质素木材浸入多巴胺溶液中进行改性处理，得到改性木材；

6、3)将改性木材浸入由可逆相转变聚合物和无机盐加水制成的电解质溶液中进行真空辅助浸渍处理，即得木材基电解质。

7、优选地，步骤1)所述木材为巴沙木、榉木、杨木、松木中的至少一种。

8、优选地，步骤1)所述亚氯酸钠溶液的质量分数为1％～3％，ph值为3.0～5.0。

9、优选地，步骤1)所述脱木质素处理在温度为80℃～120℃的条件下进行，处理时间为4h～12h。

10、优选地，步骤2)所述多巴胺溶液的质量分数为0.2％～0.5％，ph值为8.0～10.0。

11、优选地，步骤2)所述改性处理在温度为20℃～30℃的条件下进行，处理时间为12h～36h。

12、优选地，步骤2)所述改性处理结束后还对反应产物进行了洗涤和干燥。

13、优选地，所述洗涤的具体操作为：在温度为20℃～30℃的条件下用去离子水洗涤3次～6次。

14、优选地，所述干燥的具体操作为：在温度为40℃～80℃的条件下干燥12h～36h。

15、优选地，步骤3)所述可逆相转变聚合物为数均分子量2000～6000的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物、数均分子量50000～150000的甲基纤维素、数均分子量50000～250000的羟丙基甲基纤维素中的至少一种。

16、优选地，步骤3)所述无机盐为氯化锂、硝酸锂、氯化钠中的至少一种。

17、优选地，步骤3)所述电解质溶液中的可逆相转变聚合物的质量分数为20％～40％，无机盐的质量分数为2％～10％。

18、优选地，步骤3)所述电解质溶液通过以下步骤制成：将可逆相转变聚合物和无机盐加入水中，再在搅拌速率为200rpm～800rpm、温度为20℃～30℃的条件下搅拌1h～4h，即得电解质溶液。

19、优选地，步骤3)所述真空辅助浸渍处理在温度为20℃～30℃、真空度为1kpa～10kpa的条件下进行，处理时间为0.2h～1h。

20、一种木材基电解质，其由上述制备方法制成。

21、一种电化学储能器件，其包含上述木材基电解质。

22、优选地，所述电化学储能器件为锂电池、超级电容器中的一种。

23、一种如上所述的电化学储能器件的制备方法包括以下步骤：将活性炭、乙炔黑和聚偏二氟乙烯分散在n-甲基吡咯烷酮中制成电极浆料，再将电极浆料涂覆在碳布(集流体)表面后进行干燥制成电极片，再分别在平行和垂直木材基电解质的孔洞方向贴上电极片，再与电化学工作站连接，即得电化学储能器件。

24、一种火灾预警装置，其包含上述木材基电解质。

25、一种如上所述的火灾预警装置的制备方法包括以下步骤：将活性炭、乙炔黑和聚偏二氟乙烯分散在n-甲基吡咯烷酮中制成电极浆料，再将电极浆料涂覆在碳布(集流体)表面后进行干燥制成电极片，再在垂直木材基电解质的孔洞方向贴上电极片，再串联报警器，即得火灾预警装置。

26、本发明的原理：本发明先对木材进行脱木质素和表面改性处理提高其表面的亲水性，再通过真空辅助浸渍处理将含有可逆相转变聚合物的电解质溶液填充到木材内部得到木材基电解质。纤维素表面羟基与电解质中水分和可逆相转变聚合物之间存在氢键作用，可逆相转变聚合物在常温下可以沿木材纤维素通道良好排列，制备的木材基电解质在常温下具有良好的电化学性能，可以应用于超级电容器。同时，无机盐的加入使电解质的相转变温度调控在合理的温度范围内，而当温度达到相转变温度后可逆相转变聚合物与水和纤维素之间的氢键作用减弱，形成分子内氢键，造成其分子堆积缠结，电解质从溶胶向凝胶转变，可逆相转变聚合物由沿纤维素通道排列变为垂直木材通道排列，因此木材基电解质的电化学性能温度响应呈现各项异性，而利用其各向异性可以使木材基电解质在过热自保护超级电容器、温度感知和火灾预警领域具有良好的应用前景。此外，由于电解质中水分的吸热和无机盐的促进成炭作用，木材基电解质具有优异的阻燃性。

27、本发明的有益效果是：本发明的木材基电解质具有良好的离子导电性、灵敏的温度响应性和优异的阻燃性，且在平行于木材孔洞方向和垂直方向的热响应呈各向异性，在过热自保护超级电容器、温度感知和火灾预警领域具有广阔的应用前景。

28、具体来说：

29、1)本发明的木材基电解质在常温下具有良好的离子导电性，可以应用于超级电容器；

30、2)本发明的木材基电解质具有灵敏的温度响应性，且其电化学响应呈现各项异性(在平行于木材孔洞方向，在温度达到相转变温度时，电解质的离子电导率快速降低；在垂直孔洞方向，离子电导率随着温度升高而升高)，在过热自保护超级电容器、温度感知和火灾预警领域具有广阔的应用前景；

31、3)本发明的木材基电解质具有优异的阻燃性，提高了其在严苛环境下的安全性；

32、4)本发明的木材基电解质的制备工艺简单，原料易得，成本低，对设备要求低，符合绿色可持续发展理念。

技术特征：

1.一种木材基电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述木材为巴沙木、榉木、杨木、松木中的至少一种；步骤1)所述亚氯酸钠溶液的质量分数为1％～3％，ph值为3.0～5.0。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述脱木质素处理在温度为80℃～120℃的条件下进行，处理时间为4h～12h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述多巴胺溶液的质量分数为0.2％～0.5％，ph值为8.0～10.0。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述改性处理在温度为20℃～30℃的条件下进行，处理时间为12h～36h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述可逆相转变聚合物为数均分子量2000～6000的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物、数均分子量50000～150000的甲基纤维素、数均分子量50000～250000的羟丙基甲基纤维素中的至少一种；步骤3)所述无机盐为氯化锂、硝酸锂、氯化钠中的至少一种；步骤3)所述电解质溶液中的可逆相转变聚合物的质量分数为20％～40％，无机盐的质量分数为2％～10％。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述真空辅助浸渍处理在温度为20℃～30℃、真空度为1kpa～10kpa的条件下进行，处理时间为0.2h～1h。

8.一种木材基电解质，其特征在于，由权利要求1～7中任意一项所述的制备方法制成。

9.一种电化学储能器件，其特征在于，包含权利要求8所述的木材基电解质。

10.一种火灾预警装置，其特征在于，包含权利要求8所述的木材基电解质。

技术总结本发明公开了一种木材基电解质及其制备方法和应用。本发明的木材基电解质的制备方法包括以下步骤：1)将木材浸入亚氯酸钠溶液中进行脱木质素处理，得到脱木质素木材；2)将脱木质素木材浸入多巴胺溶液中进行改性处理，得到改性木材；3)将改性木材浸入由可逆相转变聚合物和无机盐加水制成的电解质溶液中进行真空辅助浸渍处理，即得木材基电解质。本发明的木材基电解质具有良好的离子导电性、灵敏的温度响应性和优异的阻燃性，且在平行于木材孔洞方向和垂直方向的热响应呈各向异性，在过热自保护超级电容器、温度感知和火灾预警领域具有广阔的应用前景。技术研发人员：曾庆韬,赖学军,李红强,陈中华,曾幸荣,张立群受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15