[发明专利]一种聚脲基凝胶电解质、制备方法与应用

说明书

本发明属于聚合物凝胶电解质领域，公开了一种聚脲基凝胶电解质、制备方法与应用，该聚脲基凝胶电解质包括软段、硬段和共晶溶剂成分，其中，软段为聚醚胺，硬段为含有苯环结构的多异氰酸酯，软段和硬段是先形成聚脲骨架，并能够在共晶溶剂的诱导下实现软段与硬段的分离。本发明通过对参与构建电解质的具体组成及细节结构等进行改进，以聚醚胺作为软段，以含有苯环结构的多异氰酸酯作为硬段，在共晶溶剂的诱导下软硬段可以实现分离，聚醚胺和共晶溶剂作为功能相传输离子，通过氢键和π‑π相互作用形成的苯环堆积结构作为增强相维持电解质的机械稳定性，功能相和增强相的分离实现电化学性能和机械性能的双重提升。

技术领域

本发明属于聚合物凝胶电解质领域，更具体地，涉及一种聚脲基凝胶电解质、制备方法与应用。

背景技术

锂电池具有质量轻、容量大、循环寿命长、环保等优点，在便携式电子设备、电动汽车等领域得到了广泛应用。然而，商用锂电池使用的电解液不仅存在安全隐患，还因其较高的化学活性限制了电池能量密度的进一步提升。固态电解质的应用有望解决上述问题，同时能够匹配理论容量更高的电极。固态电解质包括无机固态电解质和聚合物固态电解质。其中聚合物固态电解质具有聚合物材料优异的柔韧性和加工方法多样的特点，是锂电池的理想固态电解质材料。然而，聚合物固态电解质存在离子电导率低等问题。含液体增塑剂的聚合物凝胶电解质因优异的电化学性能有望率先实现商业化，但其较差的机械强度严重威胁电池的安全。合理设计聚合物材料的微观结构，如双交联网络凝胶，可以获得具有优异力学性能的凝胶材料。但三维交联网络结构的聚合物固态电解质，加工困难，且难以回收的特点与可持续发展理念相违背。

非交联网络的聚脲具备优异的机械强度和良好的化学稳定性。聚脲优异的性能源于其软段和硬段化学极性不同而形成的微相分离结构。其中，硬段聚集区域作为物理交联位点均匀分散在以软段为主的连续相中。硬相聚集区存在可逆的动态相互作用(如氢键)，在变形过程中作为牺牲键来提高材料的韧性。因此，聚脲作为骨架可望赋予聚合物凝胶电解质优异的机械强度和韧性。然而，强极性或含有氢键给体/受体的液体增塑剂与聚脲网络不兼容，易破坏聚脲网络的微相分离结构，导致现有聚脲骨架的聚合物凝胶电解质的机械性能达不到预想的效果，其组装的锂电池循环性能不佳。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种聚脲基凝胶电解质、制备方法与应用，其中通过对参与构建电解质的具体组成及细节结构等进行改进，以聚醚胺(也可额外配合使用聚环氧乙烷)作为软段，以含有苯环结构的多异氰酸酯作为硬段，在共晶溶剂的诱导下软硬段可以实现分离，聚醚胺(也可额外配合使用聚环氧乙烷)和共晶溶剂作为功能相传输离子，通过氢键和π-π相互作用形成的苯环堆积结构作为增强相维持电解质的机械稳定性，功能相和增强相的分离实现电化学性能和机械性能的双重提升。本发明中的凝胶电解质因相分离结构的存在，兼具优异的机械强度和电化学性能，并且，制备方法简单，条件温和，适宜大规模生产。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种聚脲基凝胶电解质，其特征在于，该电解质包括软段、硬段和共晶溶剂成分，其中，所述软段为聚醚胺，所述硬段为含有苯环结构的多异氰酸酯，所述软段和所述硬段是先形成聚脲骨架，并能够在共晶溶剂的诱导下实现软段与硬段的分离。

作为本发明的进一步优选，所述软段还包括聚环氧乙烷。

作为本发明的进一步优选，所述聚环氧乙烷和所述聚醚胺均为氨丙基封端；优选的，所述聚环氧乙烷的分子量为800～6000，更优选包括800、1000、2000、3000、4000以及4600中的一种或几种；所述聚醚胺的分子量为200～3000，更优选包括230、400、1000、2000以及3000中的一种或几种。

作为本发明的进一步优选，所述多异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、对苯二异氰酸酯(PDI)中的一种或几种；