Page 175 - 《精细化工》2022年第11期

第 11 期 龙盖琼，等: 3D 打印超拉伸凝胶电解质的制备及在柔性铝空气电池中的应用 ·2325·

由表 1 可知，BC-PVA2 的吸液率最高，为 228.4%， 加入能够提升凝胶电解质的拉伸性能。但当 BC 含
虽然孔隙率较 BC-PVA1 低，但 BC-PVA2 中 BC 含 量过高或者过低时，BC 与 PVA 的氢键无法形成稳
量更高，与电解质的亲和力更好，因此，BC-PVA2 定的交联结构，导致凝胶电解质拉伸性能下降。
拥有较好的吸液率。但 BC 含量继续增加会导致团 BC-PVA2 凝胶电解质分子链结合紧密，形成的交联
聚，降低凝胶电解质的孔隙率，从而降低吸液率， 结构强度较高，与对照组 BC-PVA5 相比，断裂伸长
与 SEM 分析结果一致。KAWAI 等 [20] 利用 3D 打印 率提升了 83.7%，拉伸强度增加了 42.9%，说明 3D
制备的聚合物也具有可控的孔隙率。且 3D 打印能 打印能够有效改善凝胶电解质中的交联情况，从而
够促进 BC 与水的结合，经过冻融循环法干燥后， 提升其拉伸性能。
结合水能够带动 BC 膨胀，使 BC 较好地溶胀并填充 2.4 凝胶电解质电化学性能分析
在 PVA 网络中。所以 3D 打印比原位法制备的凝胶 通过交流阻抗谱图探讨 BC 含量对离子电导率
电解质拥有更高的孔隙率和吸液率。 的影响，凝胶电解质的交流阻抗谱图如图 6 所示。
2.3 凝胶电解质拉伸性能分析 由图 6 可见，BC-PVA1 凝胶电解质阻抗最大，为
凝胶电解质的拉伸性能如图 5 所示。 0.38 Ω，加入 BC 后阻抗逐渐减小，当 m(BC)∶
m(PVA)=0.0048∶1 时，凝胶电解质阻抗最小，为
0.30 Ω，随着 BC 含量的继续增加，凝胶电解质阻抗
又上升至 0.35 Ω。对比 SEM 与水接触角测试的结
果，3D 打印制备的凝胶电解质表面比原位法的更加
平整，这扩大了凝胶电解质与电极的接触面积，吸
液率的增加促进了离子的导通，从而提升了界面处
电荷的转移效率。所以，3D 打印制备的凝胶电解质
阻抗比原位法制备的凝胶电解质的更低。

图 6 凝胶电解质的交流阻抗谱图

Fig. 6 AC impedance spectroscopy of gel electrolytes
图 5 凝胶电解质应力-应变曲线（a）及 BC-PVA2 的拉
伸测试照片（b） 表 2 为多次测量凝胶电解质离子电导率的平
Fig. 5 Stress-strain curves of gel electrolytes (a) and 均值。
tensile test photos of BC-PVA2 (b)
表 2 凝胶电解质离子电导率
由图 5a 可以看出，BC-PVA2 拉伸强度为 0.90 Table 2 Ionic conductivity of gel electrolytes
MPa，断裂伸长率为 961%；BC-PVA1 拉伸强度为 样品 凝胶电解质厚度/cm 离子电导率/(×10 S/cm)
–2
0.87 MPa，断裂伸长率为 822%；BC-PVA4 拉伸强 BC-PVA1 0.1 4.23
度为 1.00 MPa，断裂伸长率为 864%。使用 3D 打印 BC-PVA2 0.1 11.00
BC-PVA3 0.1 10.10
制备的凝胶电解质拉伸性能较好，优于 BC-PVA5（拉
BC-PVA4 0.1 8.21
伸强度为 0.63 MPa，断裂伸长率为 523%）及采用
BC-PVA5 0.1 8.25
冻融循环法制备的 PVA/海藻酸钠/聚乙二醇凝胶电
解质（拉伸强度为 0.6 MPa，断裂伸长率为 510%） 由表 2 可知，当凝胶电解质厚度均为 0.1 cm 时，
[21] 。施加应力时，PVA 与 BC 形成的交联网络可以 随着 BC 含量的增加，3D 打印的凝胶电解质的离子
最大限度地通过氢键传递应力，所以，适量 BC 的 电导率呈先增加后降低的趋势，BC-PVA2 的离子电