[发明专利]一种多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜及制备方法和应用，属于先进锂离子电池技术领域。本发明通过快速的非溶剂诱导相转化法(NIPS)制备具有高孔隙率、高溶剂吸收、电解质快速润湿和高机械强度的多孔膜。本发明的隔膜材料采用高度刚性和全芳香性的聚苯并咪唑(PBI)，PBI分子中咪唑环上富电子的氮原子能与锂离子形成配位作用，提高锂离子的电导率和迁移数，还可有效抑制锂枝晶的生长。本发明制得的多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜在聚合物锂金属电池中具有非常好的应用前景。

技术领域

本发明涉及先进锂离子电池技术领域，尤其涉及一种多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜及制备方法和应用。

背景技术

由于商用锂离子电池的高能量密度受到碳阳极材料理论容量的限制，因此高容量阳极材料的开发目前被认为是下一代能源的最大挑战之一。在过去的几十年中，因为锂金属的最高比容量为3860mA·h/g，与标准氢电极相比，最低阳极电位为-3.04V，所以其作为电池阳极材料的使用越来越受到人们的关注。遗憾的是，锂金属仍然受到锂金属表面不均匀的锂沉积产生的锂枝晶生长的恶劣影响，从而导致锂金属电池内部短路而引起短循环寿命、低库仑效率甚至严重的安全问题。

在过去的几十年中，为了实现锂在锂金属表面上的均匀沉积以克服锂枝晶的生长，已经投入了大量精力来研究如何增加聚合物电解质的锂离子迁移数。最近，锂离子迁移数接近于1的单离子导电聚合物电解质已被证明是抑制锂枝晶生长的一种简便方法，这是基于电荷离域，阳离子基团锚定在聚合物主链上并且在锂离子电池充电/放电过程中不能移动。然而，该类材料和膜的制造成本高，很大程度上限制了它们的实践使用。另一种增加锂离子迁移数的简便方法是通过掺杂添加剂来促进锂离子迁移率，从而促进锂离子从阳离子基团上离解，添加剂如金属氧化物、陶瓷或MOF。然而，如果将添加剂从隔膜中去除，会导致隔膜的性能下降，限制了隔膜的实际应用。

作为锂离子电池(LIB)的组成之一，具有高的热尺寸稳定性和阻燃性的隔膜通过防止短路的恶化，对降低安全问题起着至关重要的作用。然而，商业微孔聚烯烃隔膜如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)在高温(>100-150℃)下显示出严重的热尺寸收缩，扩大了短路区域并导致电池燃烧甚至引发爆炸。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有优异的热稳定性的多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜及制备方法和应用。

本发明提供了一种多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、将聚苯并咪唑溶解在有机溶剂中，制备均一的聚苯并咪唑成膜溶液；

S2、通过非溶剂诱导过程制备多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜；所述非溶剂诱导制备过程包括：

S2.1、将步骤S1得到的均一聚苯并咪唑成膜溶液铺展成聚苯并咪唑溶液膜；

S2.2、将步骤S2.1得到的聚苯并咪唑溶液膜浸入一种与步骤S1中有机溶剂互溶而不与聚苯并咪唑互溶的溶剂中进行凝固浴，实现相转化过程；

S2.3、干燥得到多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜。

进一步的，在步骤S1中，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺(DMAc)。

进一步的，在步骤S1中，所述聚苯并咪唑成膜溶液的浓度为10-20wt％。

进一步的，在步骤S2中，多孔聚苯并咪唑聚合物电解质隔膜的制备方法具体为：将聚苯并咪唑成膜溶液在玻璃板上铺展成平均厚度为30-40μm的溶液膜，然后立即浸入水、乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷溶剂中的一种或多种进行凝固浴，在十几分钟内实现相转化过程；之后，在室温下干燥12小时，然后在80℃减压条件下干燥24小时。