[发明专利]全氟烷基磺酰亚胺锂聚合物电解质的制备方法及锂硫二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能性电解质膜的制备及相应制得的锂硫电池，尤其涉及一种全氟烷基磺酰亚胺锂聚合物电解质的制备方法及其锂硫二次电池。

背景技术

更小、更轻和更高性能的电子通讯设备的迅速发展，使得人们对化学电源性能、尤其是对电池能量密度提出了越来越高的要求。Li-S电池作为目前已知的具有最高能量密度的锂离子二次电池体系之一，受到越来越多的关注。虽然目前锂硫电池可实现的能量密度已达到300～400Wh/kg，但硫正极不导电，电化学反应过程复杂，锂负极活性高，锂硫电池充放电过程中间产物聚硫锂溶解于电解液，在液相经由多孔隔膜扩散至负极(即发生“飞梭效应”)，造成正极活性物质的消耗和负极的腐蚀与钝化，这对锂硫电池的循环性能造成严重影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可阻挡阴离子及有机分子透过、具有较高的离子电导率和化学、电化学稳定性的全氟烷基磺酰亚胺锂聚合物电解质的制备方法，还提供一种充放电过程活性物质克容量较高、活性物质的溶失少、循环寿命长的锂硫二次电池。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种全氟烷基磺酰亚胺锂聚合物电解质的制备方法，包括以下步骤：

(1)准备原料甲基磺酰胺钠与六甲基二硅胺烷；

(2)将纯化后的上述甲基磺酰胺钠与六甲基二硅胺烷在溶剂B存在下、于一定温度下回流反应，制备得到CH₃-SO₂N(Na)Si(CH₃)₃；

(3)将上述制得的CH₃-SO₂N(Na)Si(CH₃)₃与全氟磺酰氟树脂置于溶剂C中在一定温度下发生相似转变反应，反应完成后经抽滤，洗涤(可用40℃～90℃的去离子水洗涤多次)，干燥，即得到全氟烷基磺酰亚胺钠聚合物；

(4)将上述制得的全氟烷基磺酰亚胺钠聚合物溶于溶剂D，一定温度下密封搅拌至全氟烷基磺酰亚胺钠聚合物完全溶解，然后均匀涂在基片上，在惰性气氛保护下干燥成膜，再用热水浸泡脱膜，经干燥得到Na型全氟烷基磺酰亚胺聚合物膜；

(5)通过离子交换反应将上述制得的Na型全氟烷基磺酰亚胺聚合物膜中的Na⁺交换为Li⁺，得到Li型全氟烷基磺酰亚胺聚合物电解质膜(全氟烷基磺酰亚胺锂聚合物电解质膜)。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述甲基磺酰胺钠采用以下工艺操作制备得到，包括：将摩尔比为3:1～1:1的甲醇钠与甲基磺酰胺在溶剂A存在下、于30℃～100℃温度下混合搅拌反应12h～20h，反应完全后可用旋转蒸发仪器去除反应生成的副产物甲醇和溶剂，制备得到甲基磺酰胺钠。所述溶剂A优选包括溶剂A包括四氢呋喃、苯甲醚、乙腈、丙腈、乙醇、异丙醇、乙醚、甲乙醚、二氯甲烷、二氯乙烷中的至少一种(可优选采用单一溶剂或两种溶剂的混合体系)，溶剂A的加入量为甲基磺酰胺质量的8～40倍。

上述本发明的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，所述甲基磺酰胺钠与六甲基二硅胺烷的反应摩尔比控制为1:1，回流反应温度控制在40℃～100℃，回流反应时间控制在2h～30h；所述溶剂B包括四氢呋喃、苯甲醚、乙腈、丙腈、乙二醇二甲醚、二氧戊烷、N,N-二甲基甲酰胺、N-N二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-乙基吡咯烷酮、二氯甲烷、二氯乙烷、甲苯中的至少一种(可优选采用单一溶剂或两种溶剂的混合体系)，溶剂B的加入量为六甲基二硅胺烷质量的5～40倍。

上述本发明的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，所述CH₃-SO₂N(Na)Si(CH₃)₃与全氟磺酰氟树脂的摩尔比控制在2～4:1，相似转变反应的温度控制在50℃～100℃，相似转变反应时间控制在2h～30h；所述溶剂C包括乙二醇二甲醚、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、二甲基亚砜、甲乙砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-N二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-乙基吡咯烷酮中的至少一种(可优选采用单一溶剂或两种溶剂的混合体系)，溶剂C的加入量为全氟磺酰氟树脂质量的8～40倍。