[发明专利]一种自愈合复合聚合物电解质及其制备与应用

说明书

本发明属于聚合物电解质技术领域，公开了一种自愈合复合聚合物电解质及其制备与应用，该聚合物电解质主要由表面功能化的纳米粒子与自愈合聚合物基体复合而成，其中，所述表面功能化的纳米粒子与所述自愈合聚合物基体两者的质量比满足1/49～2/5。本发明通过对该复合聚合物电解质中关键的复合组分的成分构成、复合物整体相应微观结构，以及制备方法整体工艺流程的设计等进行改进，利用UPy功能化二氧化硅纳米粒子与自愈合聚合物基体构建的超分子网络，可得到性能优异的自愈合复合聚合物电解质，与现有技术相比，纳米粒子在基体中的分散性更好，复合聚合物电解质的电化学性能、机械性能、自愈合效率等可得到有效提升。

技术领域

本发明属于聚合物电解质技术领域，更具体地，涉及一种自愈合复合聚合物电解质及其制备与应用。

背景技术

1991年，索尼首次推出商业化锂离子电池，拉开了锂离子电池高速发展的序幕。二十多年以来，锂离子电池以其高能量密度、低自放电率、无记忆效应等优点，被广泛应用于智能手表、智能手机、笔记本电脑等便携式电子产品中。然而，目前商用的锂离子电池多采用液态电解质，其易燃、易泄露、易爆炸的特性给锂电池的使用带来的安全隐患，限制了液态电解质用锂离子电池的进一步使用。固态聚合物电解质因不含易燃、易爆、易泄露的有机溶剂，可有效解决液态电解质所带来的安全问题。然而，固态聚合物电解质较低的室温电导率(10^-6～10^-7S cm^-1)在很大程度上限制了电解质的实际应用。

在聚合物基体中添加无机纳米粒子制备复合聚合物电解质是提高聚合物电解质电化学性能的有效方法。无机纳米粒子的加入，可以改变聚合物链的结晶动力学，继而有效抑制聚合物的结晶；其次，无机纳米粒子与聚合物基体之间形成的界面可为锂离子传导提供有效的离子通道，从而提高电解质的离子电导率；最后，无机纳米粒子与电解质中的阴离子可通过路易斯酸-碱作用有效促进锂盐的解离和Li⁺的传导，进而提高聚合物电解质的锂离子迁移数。然而，采用常规机械混合的方法对无机纳米粒子进行复合，容易引起纳米粒子的团聚。团聚的纳米粒子将极大地减少填料的比表面积，进而减少纳米粒子与聚合物基体之间的界面通道，不利于电解质电化学性能的改善。此外，聚合物电解质因较强的脆性及韧性不足的缺点，在锂离子电池装配过程中与长时间循环下容易出现破裂，导致电池性能下降甚至引发安全问题。

本发明发明人在前研究得到了一种具有自愈合功能的聚合物电解质及其制备与应用(可参见中国专利文献CN107154512A)，尽管其也公开了一种主要由四重氢键结构UPy-MA和聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯PEG-MA反应得到的嵌段共聚物(即，UPy-MA-Poly(PEG-MA)嵌段共聚物)，基于该嵌段共聚物得到的聚合物电解质具有自愈合功能，且可应用于锂离子电池中。然而，该聚合物电解质体系的离子电导率相对较低，且电导率随体系中UPy单元的增多而下降。因此，通过合理设计加入纳米粒子制备复合聚合物电解质提高材料的离子电导率、自愈合性能以及机械性能具有重要意义。

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自愈合复合聚合物电解质及其制备与应用，通过对该复合聚合物电解质中关键的复合组分的成分构成、复合物整体相应微观结构，以及制备方法整体工艺流程的设计等进行改进，利用UPy功能化二氧化硅纳米粒子与自愈合聚合物基体构建的超分子网络，可得到性能优异的自愈合复合聚合物电解质，与现有技术相比，一方面，该复合聚合物电解质中表面功能化的纳米粒子与自愈合聚合物基体之间的超分子作用可促进纳米粒子在基体中的分散，进而提高复合聚合物电解质的电化学性能；另一方面，表面功能化纳米粒子的加入提高聚合物电解质的机械性能，使其更好地应用于锂离子电池中；此外，表面功能化的纳米粒子加入到自愈合聚合物基体中，提高了该复合自愈合聚合物电解质的自愈合效率，增强了复合聚合物电解质的自愈合性能。