[发明专利]一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用。本发明所述制备方法包括：混合溶液的制备和电解质膜的制备这两个主要步骤。本发明基于聚(偏氟乙烯‑三氟乙烯)较高的极化强度，利用其可以促进锂盐的解离，提升固态聚合物电解质的离子电导率的特性，制备出了一种高性能的固态聚合物电解质，该固态聚合物电解质具有较高的室温离子电导率和锂离子迁移数，而且，基于本发明所制备的固态聚合物电解质的锂金属电池具有较高的放电比容量以及良好的循环稳定性，前景发展广阔。

技术领域

本发明属于锂金属电池技术领域，具体涉及一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用。

背景技术

现有锂离子电池中传输锂离子的介质是电解液，其中的溶剂具有强极性，能促进锂盐高效解离，从而使电解液具有极高的室温离子电导率。但是，电解液易燃易泄露，使锂离子电池存在燃烧甚至爆炸等安全隐患。为提高安全稳定性，一种有效方法是用不易燃的固态电解质替换易燃易渗漏的电解液。在众多固态电解质中，固态聚合物电解质有良好的延展性和柔韧性，且加工容易，因此受到了越来越多研究者的关注。然而，由于聚合物基体本身极性较低，无法促进锂盐大幅解离，因而使固态聚合物电解质的室温离子电导率极低。

受电解液强极性启发，提高聚合物基体极性是一种提升锂盐解离能力的有效方法。相比于其它聚合物，聚偏氟乙烯(PVDF)的极性相对较高。其极性与其分子链构象密切相关。一般的熔体和溶液加工，易使分子链呈现顺反交替排列(TGTG)的构象，其对应的晶型为α相。在高温或剪切场下进行熔体结晶，或在低温、二甲基甲酰胺中溶液结晶，易形成TTTG构象，对应晶型为γ相。在高压条件下熔体结晶、高电场极化处理或者拉伸处理，聚偏氟乙烯易形成TTTT构象，对应晶型为β相。TGTG构象中，相邻分子链偶极相互抵消，宏观极化为0；在TTTG构象中，分子链偶极部分抵消，材料呈现弱极性；在TTTT构象中，所有偶极沿着同一方向排列，材料呈现强极性。基于此，欲提升聚偏氟乙烯极化强度以提高其解离锂盐的能力，需尽量多的诱导TTTT构象生成。

与聚偏氟乙烯不同，在聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]中，只需要控制三氟乙烯的单体的摩尔含量为20～50％，即可使材料始终呈现强极性的TTTT构象，并不受外界加工条件所影响。因此，聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)是一种理想的固态聚合物电解质基体。据调查，聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)固态聚合物电解质的制备方法还未见报道，基于该电解质的固态锂金属电池也未见报道。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用，在制备过程中，创新性地以聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)为原料，制得了一种有着较高离子电导率、锂离子迁移数的固态电解质，而且，基于所述固态电解质制备的锂金属电池具有良好的电池循环性能和稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种固态聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：

(1)混合溶液的制备：将聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)共聚物和锂盐加入到溶剂中，混合搅拌均匀，得到混合溶液；

(2)电解质膜的制备：将步骤(1)中所得混合溶液置于玻璃培养皿中，于高温下进行挥干处理，即制得所述固态聚合物电解质。

优选的，步骤(1)中，所述聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)共聚物的重均相对分子质量为45万克/摩尔，聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)共聚物中三氟乙烯的摩尔含量为20～45％。

优选的，步骤(1)中，所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)中的一种。

更优选的，所述锂盐的纯度大于99.9％。

优选的，步骤(1)中，所述聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)和锂盐质量比为2：1～4。

优选的，步骤(1)中，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种。