大豆分离蛋白聚合物电解质的构筑及超级电容器性能研究

发布时间：2020-11-02 05:04

　　 超级电容器具有能量密度高,充放电速率快,循环寿命长等优点,因而受到广泛关注。电解质作为超级电容器的主要组成部件,它的状态和性能直接影响超级电容器的电化学性能和安全性。凝胶聚合物电解质(Gel polymer electrolytes,GPEs)既拥有液态电解质的高离子传导率,又兼具固态聚合物电解质的柔性,可以承担超级电容器隔膜和电解质的双重职责。GPEs主要由聚合物基体、增塑剂及电解质盐组成。聚合物基体需拥有良好的电解质亲和性、成膜性和稳定性,还需具有一定的力学强度。大豆分离蛋白(Soy protein isolate,SPI)作为一种环境友好的生物质材料,亲水性良好,且可成膜,能够作为聚合物基体用于制备GPEs。但SPI溶解困难,成膜后脆性大、柔韧性差等缺陷使其在电子能源器件中的应用受限。因此,本论文以SPI为基体材料,通过不同改性手段,制备了多种SPI基薄膜材料,并构建了双电层超级电容器;分别探究了增塑改性、交联改性及构建半互穿网络三种方式对超级电容器电化学性能的影响。首先,以三乙醇胺(Triethanolamine,TEA)为增塑剂对SPI进行增塑改性,制备了一系列柔韧性良好的TEA增塑改性SPI薄膜,结合1.0 mol L-1硫酸锂电解质,构筑了以活性炭为电极的双电层超级电容器(EDLC-X)。经TEA增塑改性的SPI薄膜表现出高达8.55X 10-3 S cm-1的离子传导率。构建的超级电容器电位窗口能够达到1.5 V,且表现出优异的双电层电容特性。当TEA的添加量为SPI质量的1.6倍时,超级电容器EDLC-1.6的电化学性能最好,在1.0Ag-1的电流密度下,其单电极质量比电容为113.44 F g-1,能量密度为8.86 W h kg-1。虽然电化学性能较为优异,但是,增塑改性后的SPI薄膜在电解质中质软,在水中无法长期稳定存在。为了提高SPI薄膜的耐水能力和力学强度,使用毒性小的乙二醇二缩水甘油醚(Ethylene glycol diglycidyl ether,EGDE)对 SPI 进行交联改性,制备了一系列交联 SPI薄膜。FTIR、XRD显示EGDE与SPI间发生了化学交联,交联SPI薄膜的力学、耐水性能相对于纯SPI薄膜大幅提高,当EGDE含量占SPI质量的20%时制备的改性SPI薄膜综合性能最优。构建的基于交联SPI GPEs的固态双电层超级电容器(S-EDLC-X),在低交联程度下,超级电容器S-EDLC-20%具有较好的电容保持率,当电流密度从1.0 A g-1增大至10 A g-1时,电容保持率能够维持在72%。虽然交联改善了 GPEs的强度的和稳定性,但基于交联SPI GPEs的S-EDLC-X电化学性能却呈现下降趋势。为了同步提升SPI基GPEs的电化学性能和耐水性,在交联SPI体系内引入亲水线性大分子轻乙基纤维素(Hydroxyethylcellulose,HEC),制备了具有半互穿网络(Semi-interpenetrating network,Semi-IPN)结构的改性 SPI 薄膜,并结合 L2SO4 电解质,形成了半互穿网络凝胶聚合物电解质(Semi-IPN GPEs)。以Semi-IPN GPEs组装了固态超级电容器(SSC-X)。研究结果表明:引入少量HEC即可大幅提高交联SPI薄膜的电解质亲和性,进而赋予Semi-IPN GPEs更优异的离子传导能力。Semi-IPN GPEs的离子传导率最高可达1.125×10-2 S cm-1,优于交联SPI基GPEs的离子传导率。HEC占10%时,构建的固态柔性超级电容器SSC-10%表现出最优异的循环稳定性和充放电可逆性;弯折测试显示,SSC-10%在任意弯曲角度下均能保持优异的电化学性能,拥有良好的柔性,且整体电化学性能优于由商业水性PP/PE隔膜组装的超级电容器。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM53;TB383.2
【部分图文】：

１．５大豆分离蛋白??１．５．１大豆分离蛋白概述??大豆蛋白主要有四级结构（图１－３），一级结构是２０多种氨基酸形成的多肽链。二??级结构是大豆蛋白质分子中多肽链主链骨架的空间构象。三级结构是多肽链在二级结构??的基础上进一步折叠和扭曲，形成近似于球形的紧密结构。几条多肽链在三级结构的基??础上缔合在一起形成大豆蛋白的四级结构。在一定ｐＨ值、温度、剪切力作用下，大豆??蛋白质的二、三、四极结构会发生不同程度的变化，使原本包藏在球形结构内部亲疏水??基团暴露出来，改变蛋白质的性质，有利于材料的加工、成型及性能改善。??一雖构??大互备錄??酵觀轉尽??＂＾?（近似球形雖结构）??１?－?－－ｗ??图１－３大豆蛋白的结构??不同的加工工艺可以获得不同蛋白质含量的大豆蛋白，蛋白质含量３０％时制得大??豆蛋白粉，蛋白质含量２６５％时制得大豆浓缩蛋白，蛋白质含量＾９０％时制得大豆分离蛋??白１５５］。大豆分离蛋白（ＳＰＩ）相对于大豆蛋白粉和大豆浓缩蛋白拥有更好的保水性、乳??化性、溶解性，因此被广泛应用于食品包装，医用材料，胶黏剂，复合材料等领域??ＳＰＩ的物化特性是由其分子结构和空间结构决定的。Ｓ

?的泡沫镍在１０?ＭＰａ的条件下压制１．０?ｍｉｎ形成超级电容器活性炭电极片。制备完成的电??极如图２－１所示??麗塗Ｓ臟靈—鹽觀》懸戀戀麗懸ｌ??图２－１活性炭电极??２．３改性ＳＰＩ薄膜结构分析及性能测试??２．３．１?ＦＴＩＲ?测试??使用红外光谱仪（Ｔｅｎｓｏｒ?ＩＩ，德国Ｂｒｕｋｅｒ）对制备的样品化学组成结构进行研宄，??样本测试范围为４００？４０００?ｃｎｆ１，分辨率为４?ｃｍ＇每个样品扫描３２次，待测样品在测??试前经５０°Ｃ处理以除去体系内的水分。??２．３．２?ＸＲＤ?测试??实验原料及膜样品的ＸＲＤ谱图由Ｘ射线衍射仪（Ｄ／ｍａｘ２２０，日木理学公司）测试??得到，测试时设定管电压４０?ｋＶ，管电流３０?ｍＡ，步宽０．０２。，扫描范围５。？５０。，扫描速??率?５。ｍｉｎ－１。??２．３．３热稳定性测试??使用热重分析仪（ＴＧＡ?２０９?Ｆ３，德国ＮＥＴＺＳＣＨ公司）对ＳＰＩ粉末及膜样本的热稳??定性进行研究，测试在Ｎ２气氛下以１０°Ｃ?ｍｉｔｆ１的升温速率从室温升至８００°Ｃ进行，Ｎ２??流速为５０?ｍＬｍｉｎ＇测试前将样品在真空条件下进行干燥，尽量减少样品中的水分。??２．３．４拉伸测试??将ＳＰ丨膜样本裁剪成２０?ｍｍｘ?１〇?ｍｍ的样条（每个样品均为５个样条）

３．３．１热稳定性分析??为了研宄各改性ＳＰＩ薄膜的热稳定性，利用ＴＧＡ测试技术测试了各ＳＰＩ薄膜样本??及ＳＰＩ粉末在室温？６００°Ｃ内的热失重情况，ＴＧＡ曲线如图３－２所示。??１００?Ｉ?＾＼ｉＷ?Ｃ３０９°Ｃ?——Ｐｕｒｅ?ＳＰＩ?ｐｏｗｄｅｒ?Ｉ??１５０辜?＼?＼?／?－?－?ＳＰＩ／ＴＥＡ－０．４?＂８??８０－?＼?Ａ?ＳＰＩ／ＴＥＡ－０．８??２３０＜ｆ?．?Ｘ?－?－?ＳＰｌ＾ＴＥＡ－１．２??ｌ＇ｒ＼?．?＼＼??ＳＰＩ／ＴＥＡ－１．６?－６??５？?６０－?／?兮．?ＳＰ１／ＴＥＡ－２．０?、??２０．?／?／?？二：??＃蓿玻蹋?崳?０?ｉ?１?ｌ?１?Ｉ?１?ｌ?１?ｌ?■??１００?２００?３００?４００?５００?６００??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／°Ｃ??图３－２?ＳＰＩ／ＴＥＡ－Ｘ和ＳＰＩ粉末的ＴＧＡ曲线??纯ＳＰＩ粉末的起始热分解温度约为２００°Ｃ，对应于ＳＭ分子链的降解。经增塑改性??后，制得的改性ｓｎ膜的初始热分解温度约为１００°Ｃ，此部分热分解可能是因为改性??ＳＰＩ膜吸收空气中的水蒸气导致的。成膜后，ＳＰＩ分子链的初始降解温度相对于纯ＳＰＩ??粉末有所降低约为１５０°Ｃ
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 胡世明;崔永岩;杨振兴;赵振伦;;大豆分离蛋白的化学改性和增塑研究[J];中国塑料;2010年11期

相关硕士学位论文 前1条

1 夏曼;基于超级电容器的电解质研究[D];电子科技大学;2015年

本文编号：2866606