[发明专利]含八氨丙基POSS盐酸盐的聚合物电解质膜及其制备方法和应用有效
申请号: | 202110588446.0 | 申请日: | 2021-05-28 |
公开(公告)号: | CN113437361B | 公开(公告)日: | 2022-11-25 |
发明(设计)人: | 薛敏;刘铁峰;盛欧微;陈思;王旭;佴建威;王垚;刘育京;陶新永 | 申请(专利权)人: | 浙江工业大学 |
主分类号: | H01M10/0565 | 分类号: | H01M10/0565;H01M10/052 |
代理公司: | 杭州天正专利事务所有限公司 33201 | 代理人: | 黄美娟;俞慧 |
地址: | 310014 浙*** | 国省代码: | 浙江;33 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 含八氨 丙基 poss 盐酸 聚合物 电解 质膜 及其 制备 方法 应用 | ||
本发明公开了一种含八氨丙基POSS盐酸盐的聚合物电解质膜及其制备方法和应用。所述含八氨丙基POSS盐酸盐的聚合物电解质膜包括聚氧化乙烯和导电锂盐,还进一步包括含八氨丙基POSS盐酸盐,所述八氨丙基POSS盐酸盐的质量为聚氧化乙烯、导电锂盐和八氨丙基POSS盐酸盐三者总质量的0.5‑4%。本发明提供了所述含八氨丙基POSS盐酸盐的聚合物电解质膜作为固态金属锂电池电解质材料的应用,可大幅度提高电解质材料的稳定性,解决固态聚合物电解质和金属锂负极的界面不稳定性,加快锂离子的传导;组装而成的固态锂金属电池的容量高,循环性能好,从而达到高能量、高功率领域的使用要求。
(一)技术领域
本发明属于固态锂电池技术领域,涉及一种含八氨丙基POSS盐酸盐(OAS)的聚合物电解质膜及其制备方法和在锂金属电池中的应用。
(二)背景技术
随着电动汽车与大规模储能的发展,现有锂离子电池体系已不能满足日益增长的需求,亟须发展具有更高能量密度的电池体系。传统的锂离子电池通常以石墨作为电池的负极材料,石墨的理论容量为372mAh/g,而金属锂的理论容量高达3860mAh/g。在众多的电池材料体系中,金属锂负极具有最低的电位和最高的理论比容量,被视为电池负极材料的终极选择。然而,金属锂与液态电解质会发生反应生成不利于电池工作的副产物,且在电池循环过程产生的锂枝晶会刺穿隔膜,造成电池内部短路,导致电池具有较低的循环寿命和较差的安全性,这严重阻碍了金属锂电池的大规模生产及应用。
全固态电池利用固态电解质代替以有机液体作为溶剂的液态电解液。与传统的液态电解液相比,固态电解质具有以下优势:第一,不含任何液体成分,整个体系均为固体状态,在很大程度解决了传统锂电池的安全性问题;第二,电池更轻,传统锂电池体系中的液态电解液和隔膜被固态电解质代替,简化电池的结构,使电池更为轻便;第三,电池可依据客户需求设计形状,具有更强的创意性。
根据电解质的组分不同,固态电解质可分为聚合物电解质,无机电解质,复合电解质及其他体系电解质。聚合物电解质是一类电荷以共价键链接到聚合物链上的聚合物的总称。聚合物电解质常见的体系包括聚氧化乙烯(PEO),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚偏氟乙烯(PVDF),聚丙烯腈(PAN),聚氯乙烯(PVC)等。
现有的固态聚合物电解质的导电性、机械性能、电化学窗口宽度、电化学稳定性以及电解质膜与金属锂的界面接触还不够理想,其制备工艺较为复杂,不利于产业化应用,由其组装成的锂离子电池的循环稳定性和倍率性能有待于提高,以满足新型高性能电池的需要。
其中PEO及其衍生物由于其良好的锂盐溶解能力以及链段运动能力在聚合物电解质体系中被研究得最多,但PEO基聚合物电解质的室温离子电导率低以及氧化电位窗口较窄的问题使其在电池实际应用中具有很大的障碍。PEO与金属锂会发生不可避免的寄生反应,在不断反应的过程中,Li/PEO界面会持续变厚,导致界面阻抗变大,从而导致电池循环性能的变差。因此,有研究者提出构建Li负极3D骨架,设计人造SEI层,提升聚合物电解质机械性能等方法来解决上述问题。大部分专利的研究进展都停留在提高聚合物电解质的离子电导率上,但未提及金属锂与聚合物电解质界面及机理方面的研究。
中国专利申请CN 107910588 A公开了含室温POSS基离子液体的固态聚合物电解质及其制备方法。该专利文献将含有不同官能团的POSS基离子液体引入以聚氧化乙烯和聚(偏氟丙烯六氟丙烯)为基底的聚合物电解质中,制备得到的固态聚合物电解质离子电导率高,由其组装得到的电池也具有良好的循环稳定性和倍率性能。由于聚合物电解质与正负极材料界面的反应,由含POSS-PrMIM固态聚合物电解质组装成的Li/POSS-PrMIM-SPE/LiFePO4电池在0.1C下的容量不够高,循环60圈之后的容量保持率太低,库伦效率也波动的较为明显。
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