[发明专利]一种复合固态聚合物电解质及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质及其制备方法，属于固态聚合物电解质材料技术领域。本发明所述新型掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质是由环状碳酸酯修饰的二氧化硅纳米颗粒、锂盐、聚氧化乙烯和能溶解聚氧化乙烯的溶剂混合后干燥成膜制备而成。所述制备方法包括：制备环状碳酸酯修饰的二氧化硅纳米颗粒、制备电解质混合液和制备电解质薄膜。本发明制备工艺简单，效率高，生产成本低，所得到的的锂离子电池固态聚合物电解质具有较好的离子电导率与机械强度及优异的安全性能，具有很高的市场前景。

技术领域：

本发明属于固态聚合物电解质材料技术领域，具体涉及一种掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池电解质材料是指具有优良的离子传导性能，同时兼顾界面性能、电化学稳定性、热稳定性、安全性、机械性能等功能特性的材料体系。目前，商业锂离子电池广泛使用的LiPF₆-碳酸酯基电解液虽然具有高离子电导率和良好的浸润性能，但存在易燃烧、易挥发和抗氧化性不足等缺陷，严重制约着锂离子电池安全性和能量密度的进一步提高。相比较而言，固态电解质材料没有或仅含有少量液体成分，有望从根本上解决电池的安全性问题。

有机无机复合固态电解质是将无机粒子引入传统的聚合物电解质中形成的一类电解质。聚合物基电解质可以通过弹性和塑性变形来补偿充放电过程中电极的体积变化；而将无机填料引入聚合物电解质中，可抑制聚合物基底的结晶化、重组聚合物和锂离子的相互作用，从而有效的提高电解质的离子传导性能、界面性能和机械强度。但是，无机填料与聚合物基体间的兼容性问题有待提高，填料在聚合物基体中容易发生团聚，影响电解质性能发挥。相关专利技术有CN03136183.3公开了一种由聚合物基体、锂盐和改性或未改性的无机纳米颗粒制备的复合固态聚合物电解质，其中无机纳米颗粒分别采用含环氧基团、氨基、丙烯酸酯基的硅烷偶联剂(KH550、KH560、KH570、KH792)进行改性；CN03119735公开了一种由聚合物基体、锂盐和改性的无机纳米颗粒制备的复合固态聚合物电解质，其中，无机二氧化硅纳米颗粒表面基团可为羟基、三甲基硅基、聚二甲基硅烷；CN201710059631公开了含巯基的硅烷偶联剂与聚合物基底混合成膜，然后将巯基氧化成磺酸基、再原位聚合和锂化制成含锂盐的复合固态聚合物电解质膜；CN201810072837.5公开了一种由离子液体改性纳米二氧化硅为填料的复合凝胶聚合物电解质膜；CN201910269774.7公开了含UPy功能化的二氧化硅纳米粒子与具有自愈合功能的UpyMA与PEGMA共聚物复合制备自愈合聚合物电解质。以上专利均使用无机二氧化硅纳米粒子作为复合固态聚合物电解质填料，通过引入无机二氧化硅纳米粒子或表面功能化改性的无机纳米粒子，不仅使得无机二氧化硅纳米粒子在聚合物基体中有较好的分散性，同时还可以赋予复合固态聚合物电解质更多的功能特性。

商业锂离子电池广泛使用的具有高离子电导率和良好的浸润性能的LiPF₆-碳酸酯基电解液虽然存在易燃烧、易挥发和抗氧化性不足等缺陷，但环状碳酸酯基团具有较高的介电常数、对锂盐有较好的溶解性和有助于离子电导的特点，利用环状碳酸酯基团功能化的电解液仍是目前商业电解液开发的热点，如氟代碳酸酯、乙烯基功能化碳酸酯、离子液体功能化碳酸酯、磺酸基功能化碳酸酯、长链烷基功能化的碳酸酯和有机硅功能化碳酸酯。申请人前期合成了系列烷氧基硅烷取代的环状碳酸酯(RSC Adv.,2015,5,17660-17666)和氟硅取代的环状碳酸酯(ZL201210358351.0；PCT/CN2012/084205)，用作锂离子电池高电压电解液表现出了优异的性能。本申请将硅烷功能化的环状碳酸酯用作硅烷偶联剂，对纳米粒子进行功能化改性，并与聚氧化乙烯和锂盐复合制备固态电解质材料；环状碳酸酯修饰的二氧化硅纳米颗粒具有较好的分散性、与聚氧化乙烯有较好的相容性、并对锂盐具有较好的离解能力；因此，该复合固态电解质材料展示出了较高的离子电导率。

发明内容：