[发明专利]一种碱性固体聚合物电解质纤维膜的制备方法、膜和电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种碱性固体聚合物电解质纤维膜的制备方法和这种方法制备的碱性固体聚合物电解质纤维膜，以及包括该碱性固体聚合物电解质纤维膜的电池。

背景技术

聚合物固体电解质膜是近几年发展起来的一种处于固体状态，却能够像液体一样溶解支持电解质并发生离子迁移现象的高分子膜，又称聚合物固体电解质膜。它有效地克服了液体电解质存在的易泄露、短路、寿命短等问题，弥补了无机固体电解质离子电导率低、脆性大、成膜性差、机械形变差的不足。碱性固体聚合物电解质具有质轻、成膜性好、粘弹性和稳定性好等优点，符合化学电源的发展趋势，除了应用于锂离子电池之外，在电子、医疗、空间技术、电致显色、光电学、传感器等方面都有着广泛的应用。

目前，聚合物固体电解质膜的制备方法主要有美国Bellcore公司开发的Bellcore技术、倒相法、浇铸法和静电纺丝法等，其中通过静电纺丝法制备出聚合物薄膜具有大的比表面积和相互连接的孔结构，在设置合适的电纺参数下，可以制备出微米甚至是纳米级别的高孔隙率纤维膜，而聚合物电解质膜的孔隙率对其电导率有至关重要的影响。

而在已公开的技术中，采用静电纺丝技术制备聚合物固体电解质膜，通常以聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)与碳酸锂反应制得的聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸锂)为基体，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯为增塑剂，制得室温电导率为2.12×10-5S/cm的聚合物固体电解质膜。然而，聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)的结晶度一般比较高，因而制得电解质膜的室温电导率较低；另外，聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)的耐盐性较差，在无机盐存在的情况下，通过静电纺丝技术制备的纤维的成膜性不好，因而室温电导率较低。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种碱性固体聚合物电解质纤维膜的制备方法，其工艺简单、成本低、易于实现工业化，能制备出导电率高的碱性固体聚合物电解质纤维膜。

本发明的第二个目的是提供一种孔隙率高、导电率高、成膜性好的碱性固体聚合物电解质纤维膜。

本发明的第三个目的是提供一种不含增塑剂、安全性高的聚合物电解质电池。

为实现以上目的，本发明第一个目的是提供一种碱性固体聚合物电解质纤维膜的制备方法，包括：

将聚乙烯醇溶于第一溶剂中，或将聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮混合后溶于第一溶剂中，得到聚乙烯醇混合溶液；

将无机盐溶于第二溶剂中，得到无机盐溶液，所述第一溶剂与第二溶剂相同；

将所述聚乙烯醇混合溶液和所述无机盐溶液混合，搅拌均匀，得到聚合物溶液；

采用静电纺丝设备对所述聚合物溶液进行纺丝，制备出聚合物电解质纤维膜；

将所述聚合物电解质纤维膜进行干燥，得到固体聚合物电解质纤维膜；

将所述固体聚合物电解质纤维膜浸泡在碱性溶液中，得到碱性固体聚合物电解质纤维膜。

进一步地，所述的聚乙烯醇占制备碱性固体聚合物纤维膜的初始原料质量百分比40％～80％，所述聚乙烯吡咯烷酮占制备碱性固体聚合物纤维膜的初始原料质量百分比为0～30％，所述无机盐占制备碱性固体聚合物纤维膜的初始原料质量百分比为5％～10％，所述碱性溶液中的碱含量占制备碱性固体聚合物纤维膜的初始原料质量百分比为5％～20％。

进一步地，所述将聚乙烯醇溶于第一溶剂中，或将聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮混合后溶于第一溶剂中，得到聚乙烯醇混合溶液，进一步包括：将聚乙烯醇加入到10～20ml的第一溶剂中，在80～90℃水浴下充分搅拌5～7h，得到所述聚乙烯醇混合溶液；或将聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮混合的粉末，加入到10～20ml的溶剂中，在80～90℃水浴下充分搅拌5～7h，得到聚乙烯醇混合溶液。

进一步地，所述第一溶剂、第二溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，四氢呋喃和去离子水中的至少一种。

进一步地，所述将聚合物电解质纤维膜进行干燥，得到固体聚合物电解质纤维膜，进一步包括：将聚合物电解质纤维膜，在60～80℃下干燥20～24h，得到固体聚合物电解质纤维膜。

进一步地，所述将固体聚合物电解质纤维膜浸泡在碱性溶液中，得到碱性固体聚合物电解质纤维膜，进一步包括：所述的固体聚合物电解质纤维膜，在1～6mol/L氢氧化锂/氢氧化钾/氢氧化钠的碱性溶液中，浸泡至少24h，得到碱性固体聚合物电解质纤维膜。

为实现以上目的，本发明的第二个目的是提供一种碱性固体聚合物电解质纤维膜，含有有机化合物和无机化合物，所述有机化合物为聚乙烯醇，或者聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，所述无机化合物为无机盐及碱。