[发明专利]一种全固态聚合物电解质、其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物电解质技术领域，具体涉及一种全固态聚合物电解质、其制备方法及用途。

背景技术

进入21世纪以来，工业迅速发展，科技日益进步，人类对能源的需求与日俱增。然而，不可再生能源的过度消耗不利于生态平衡的维持和可持续发展，寻找环保有效的新能源体系是亟需解决的问题。由此，锂离子电池、超级电容器、燃料电池等新能源体系成为世界各国的研究热点。

电解质材料是新能源体系内离子传递的载体，也是新能源体系能否正常运行的关键材料。以锂电池为例，电解质隔膜是锂离子在电池正负极之间传递的载体，对电池的容量、循环性能、安全性能及工作的温度范围、电位范围都有重要的影响。锂离子电池中聚合物电解质的研究从上世纪70年代开始，Wright发现了具有离子导电性的聚氧化乙烯-电解质盐体系。随后，Armand提出固态电解质的概念，从此人们开始研究聚合物电解质。

与液态电解质相比，聚合物电解质可以减少有机溶剂的使用，不漏液，能够减缓锂枝晶的形成，提高电池安全性。而与使用少量有机溶剂的凝胶聚合物电解质相比，全固态聚合物电解质不使用液态溶剂，仅由聚合物和锂盐组成，相当于锂盐溶解在聚合物这种固态溶剂中。这种全固态结构不易发生内部短路和电解液泄露，安全性高。另一方面，聚合物结构可以通过链段运动承受电极材料在充放电过程中的体积变化，提高循环性能。再者，由于聚合物易加工，采用全固态电解质隔膜可以制备超薄锂电池，且形状可塑性高。

常见的全固态电解质体系中，如聚氧化乙烯-双三氟磺酰亚胺锂(PEO-TFSI)，锂离子的传递是通过柔性聚合物非晶区的链段运动实现的，因此在PEO的玻璃化温度以下(约69℃)，链段运动受限，电解质体系电导率较低。另一方面，小分子锂盐中可迁移的阴离子使得锂离子迁移数较低。再者，该类电解质隔膜电化学稳定性通常在4.5V以下，只能用于磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂等常用锂电池体系，无法与高压电极材料匹配使用制备高压锂电池，而高压锂电池是锂电池发展的重要方向。

Armand等人在NatureMaterials杂志发表了题为“Single-ionBABtriblockcopolymersashighlyefficientelectrolytesforlithium-metalbatteries”的文章，制备了带磺酰亚胺侧基的苯乙烯和氧化乙烯的三嵌段聚合物电解质隔膜，该隔膜电导率在60℃可达1.3×10^-5S/cm，锂离子迁移数为0.85。通过循环伏安测试发现，与PEO-TFSI小分子锂盐体系相比，将磺酰亚胺基团接枝到聚合物主链上得到的离子聚合物具有较高的电化学稳定性。

发明内容

本发明提供了一种不添加溶剂或增塑剂的全固态聚合物电解质，其具有电导率高、锂离子迁移数接近1、电化学窗口宽等优点。

本发明提供的技术方案为：一种全固态聚合物电解质，是含醚氧基聚合物与含氟磺酰亚胺锂离子聚合物的混合物；

所述的含醚氧基聚合物包括但不限于聚氧化乙烯(PEO)、聚氧化丙烯(PPO)、聚氧化乙烯衍生物、聚氧化丙烯衍生物等中的一种或多种；

所述的含氟磺酰亚胺锂离子聚合物的结构式如下：

其中，R_f指代-C_mF_2m-或者-[CF₂CF₂]OCF₂CF₂-，m是1到40的整数，包括1和40；聚合度n为10到2000的整数，包括10和2000。

作为优选，所述的聚合度n为500到2000的整数，包括500和2000。

作为优选，所述的全固态聚合物电解质中，含醚氧基聚合物中的醚氧基团(-CH₂O-)与含氟磺酰亚胺锂离子聚合物的摩尔比为4：1～50：1，进一步优选为8：1～35：1，最优选为20:1～30：1。

本发明的全固态聚合物电解质材料的制备方法可采用如下步骤：

步骤1：将含醚氧基聚合物与含氟磺酰亚胺锂离子聚合物用溶剂溶解、混合，得到混合溶液；

步骤2：在干燥环境中，通过溶液浇铸方法将步骤1所述的混合溶液制得固态聚合物电解质材料。

所述的步骤1中，混合溶液的制备可以是：将含醚氧基聚合物与含氟磺酰亚胺锂离子聚合物分别用溶剂溶解，然后进行混合，得到混合溶液；也可以是：将干燥的含醚氧基聚合物与含氟磺酰亚胺锂离子聚合物先混合，然后用溶剂溶解，得到混合溶液。