[发明专利]一种单离子聚合物电解质及其制备方法、单离子聚合物电解质膜、锂离子电池

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种单离子聚合物电解质及其制备方法、单离子聚合物电解质膜、锂离子电池。一种单离子聚合物电解质，包括由如式1所示的结构单元构成的聚合链，在两聚合链之间连接有膜支撑基团，所述膜支撑基团的两端分别连接在对应的结构单元的1号位或2号位上；聚合链结构单元的1号位或2号位上连接有锂离子提供基团；锂离子提供基团与膜支撑基团分别连接在各自独立的结构单元的1号位或2号位上；所述锂离子提供基团与膜支撑基团的摩尔比为1：(1～2)。本发明的单离子聚合物电解质具有室温电导率高、机械强度高，阻燃性高等优点，在锂离子电池上具有非常可观的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种单离子聚合物电解质及其制备方法、单离子聚合物电解质膜、锂离子电池。

背景技术

与液态电解质相比，固态聚合物电解质不仅具有较轻的质量和良好的机械加工性能，而且能克服液体电解质易泄漏、加工封闭难和寿命短的缺点，被认为是一类有可能突破现有锂离子电池技术性能瓶颈的重要电解质材料。

锂离子迁移数在锂离子电池研究中是一个不可或缺的参数。很多体系的锂离子迁移数都很小，大约在0.1～0.4之间。但在充放电过程中，阴离子不参与电极的反应，会集结在电极/电解质界面，发生浓差极化现象，产生与外加电场反向的极化电压，从而阻碍锂离子的迁移，消减电池充放电流的稳定性，降低了电池的能量效率和使用寿命。

单离子聚合物电解质可以有效解决浓差极化的现象。按照阴离子的束缚机理不同，可以分成两大类：一类是在外加锂盐的同时加入阴离子受体，通过形成大体积的配位化合物来抑制阴离子的运动，从而实现单一阳离子传输。另一类是不外加锂盐，采用聚合物锂盐同时作为聚合物基质和锂离子源的单离子聚合物电解质，这种单离子聚合物电解质依靠聚合物锂盐自身离解产生的锂离子传输电荷，离子迁移数可以接近1。聚合物锂盐通过共价键将阴离子固定到聚合物主链上，既阻止了阴离子的长程迁移消除了浓差极化现象，又可以抑制阴离子移动引起的副反应，比如阴离子和电极之间发生的反应等。因此单离子聚合物电解质除了具有较高的离子迁移数之外，通常还具有较好的电化学稳定性。

目前，国内外现有技术中研究单离子聚合物电解质的工作相对较少。Park等将聚对乙烯苯磺酸锂与聚环氧乙烷共混，得到了单离子聚合物电解质。但是，由于聚环氧乙烷的结晶度很高和聚对苯磺酸锂的解离度较小，这种单离子聚合物电解质的室温电导率仅有3×10^-5mS/cm。邓正华等用聚甲基丙烯酸己磺酸锂、聚甲基丙烯酸、聚氧化乙烯酯—丙烯酰胺和二甲基多缩乙二醇共混制备了一种单离子聚合物电解质，其室温电导率为3.5～5.5×10^-6S·cm^-1。

申请公布号为CN103509153A的中国发明专利(申请公布日为2014年01月15日)公开了一种由(对乙烯苯磺酰)(全氟烷基磺酰)亚胺锂单体和甲氧基多缩乙二醇丙烯酸酯单体共聚得到的无规共聚聚合物单离子电解质，嵌段共聚聚合物单离子电解质及其制备方法。但是该聚合物电解质是梳状结构，没有交联单元，机械性能较差，在组装成锂电池时，可能会出现正负极接触的现象，从而造成电池短路，引起不良后果。

聚环氧乙烷(PEO)是目前被广泛研究的固体电解质基体。随着分子链段的运动，锂离子与氧原子不断发生配位与解离，从而实现锂离子迁移。但是，PEO在其熔点68℃以下很容易结晶，这导致PEO基固态电解质在常温下的电导率仅为10^-8S/cm左右。提高PEO基固态电解质的电导率，最常用的途径是抑制聚合物结晶，降低玻璃化转变温度，从而提高聚合物链段的运动能力，以提高载流子的迁移率。但是，改性后的PEO基固态电解质通常需要与PVDF等基体膜复合在一起，来提升其机械性能。而复合电解质在电池长期循环过程中会引起宏观相分离等问题。所以，针对目前单离子聚合物电解质存在的问题，设计一个具有独立自成膜性能、电导率高的单离子固态聚合物电解质迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种单离子聚合物电解质，以提高聚合物电解质的电导率。