[发明专利]离子型塑晶-聚合物-无机复合电解质膜、其制法及应用

说明书

本发明公开了一种离子型塑晶‑聚合物‑无机复合电解质膜、其制法及应用。所述离子型塑晶‑聚合物‑无机复合电解质膜包括多孔有机‑无机复合膜以及离子型塑晶电解质复合材料，所述多孔有机‑无机复合膜具有连续三维网络结构，所述离子型塑晶电解质复合材料分布于三维网络结构表面和/或所含孔洞内，所述离子型塑晶电解质复合材料包含离子型塑晶化合物和锂盐。本发明的离子型塑晶‑聚合物‑无机复合电解质膜具有制备工艺简单、机械强度优良、离子电导率高、电化学稳定窗口宽、抑制锂枝晶、耐高温和阻燃性能等优点。

技术领域

本发明涉及一种固体电解质膜，具体涉及一种全固态离子型塑晶-聚合物-无机复合电解质膜、其制备方法与应用，属于电解质材料技术领域。

背景技术

目前，市场上的锂离子电池大都采用液态有机电解液作为电解质，其热安全性能差且易挥发，容易被引燃诱发着火事故，此外还存在着电化学窗口有限、热稳定性差、大电流下循环稳定性差，与新型电极不兼容等问题。因此使用新型的聚合物电解质来替代传统的有机电解液是一种可靠的解决方法。作为固体材料，它们可以避免漏液问题，同时聚合物高度的柔韧性可以给电池更高的形状自由度，简化材料处理并有可能集成到3D打印技术中。但目前的固态聚合物体系仍然有很多的缺点，例如机械性能差，室温下离子电导率过低，即便是综合性能比较优秀的聚氧化乙烯(PEO)体系，与碱金属锂盐复合后，室温下的离子电导率也只有10^-7S/cm-10^-8S/cm，因此纯的全固态聚合物电池室温下不能正常工作，而如果通过添加增塑剂来制备凝胶电解质提高电导率，虽然其链段依靠对增塑剂的吸收、溶胀运动更快，电导率更高，但力学性能下降很快，失去固态电解质原有的优势，凝胶电解质中的溶剂还可能与电极发生反应，产生界面钝化层，降低电池的性能表现。

塑性晶体又被称为旋转晶体，其长程有序晶体结构中包含无取向的短程分子旋转运动，这些运动赋予塑晶材料优秀的机械灵活性和快速离子传输性能，是一种非常具有开发前景的固体电解质材料，在基于陶瓷，玻璃或聚合物电解质的普通固体电解质中，难以实现这种性能。塑晶分为非离子型塑晶和离子型塑晶两类，其中非离子型塑晶为常温有机材料中添加锂盐制得，例如被研究较多的丁二腈，但这类塑晶存在着与负极有可能的反应，同时由于自身易燃等原因，严重影响了电池的热稳定性和化学稳定性。而离子型塑晶材料的阳离子为含氮杂环的有机化合物，阴离子为聚阴离子，如三氟甲基磺酰亚胺、六氟磷酸根、四氟硼酸根，相对于非离子型塑晶，表现出与电池体系更好的相容性。Fortysh提出的以双烷基吡咯烷与三氟甲基磺酰亚胺形成的盐作为基质制备的固体电解质，其室温电导率可达到10^-4S/cm，具有好的化学/电化学稳定性和耐高温性能，但其在应用过程中仍然存在机械性能差、难于承受长期充放电循环的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种全固态离子型塑晶-聚合物-无机复合电解质膜、其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种离子型塑晶-聚合物-无机复合电解质膜，其包括多孔有机-无机复合膜以及离子型塑晶电解质复合材料，所述多孔有机-无机复合膜具有连续三维网络结构，所述离子型塑晶电解质复合材料分布于三维网络结构表面和/或所含孔洞内，所述离子型塑晶电解质复合材料包含离子型塑晶化合物和锂盐，所述离子型塑晶化合物包括N-乙基-N-甲基双氟磺酰亚胺吡咯盐和/或N-乙基-N-甲基双三氟甲烷磺酰亚胺吡咯盐。

本发明实施例还提供了一种离子型塑晶-聚合物-无机复合电解质膜的制备方法，其包括：

将聚合物和无机纳米粒子于溶剂中均匀混合，通过溶液浇铸法或相分离法制备得到多孔有机-无机复合膜；

将离子型塑晶化合物和锂盐于溶剂中均匀混合形成离子型塑晶电解质溶液；

将所述多孔有机-无机复合膜浸润于离子型塑晶电解质溶液，并除去溶剂，获得全固态离子型塑晶-聚合物-无机复合电解质膜。