[发明专利]一种含有垂直阵列骨架的全固态聚合物电解质的制备方法

说明书

本发明属于锂金属电池中电解质材料技术领域，公开一种含有垂直阵列骨架的全固态聚合物电解质的制备方法，在这种复合电解质中引入垂直排布的高强度的二维填料，在复合电解质中构建连续的填料‑聚合物界面，从而形成了连续贯通的高速锂离子传输路径。制备得到集离子电导率高、机械强度高、热稳定性好、化学性能稳定等综合性能于一身的全固态聚合物电解质，提高锂金属电池整体的电化学性能、稳定性以及安全性。

技术领域

本发明属于锂金属电池中电解质材料技术领域，特别涉及一种含有垂直阵列骨架的全固态聚合物电解质的制备方法。

背景技术

由于锂金属具有高的理论比容量(3860mAh g^-1)和低的电位(-3.04V)，锂金属电池成为电子设备、智能电网以及电动汽车的最理想的能量动力来源。(J.M.Tarascon,M.Armand,Nature 2001,414,359)然而建立在传统的有机电解液体液基础上的锂金属电池由于其存在液体电解液易燃、易挥发、毒性大等安全隐患，限制了其在实际中的应用。(A.Wang,D.Kong,S.Liu,K.Chiou,L.Zhi,J.Huang,Y.Xia,J.Luo,Adv.Mater.2018,30,1703891)开发固态电解质来取代液体电解液，目前被认为是消除有机液体电解液易燃等安全隐患的最佳解决方案，同时全固态电解液可以有效抑制锂枝晶的生长，从而避免了因为锂枝晶生长刺破隔膜而引发的起火、爆炸等安全事故。由于全固态聚合物电解质具有质量轻、柔韧性好、可加工性强、成本低、制备工艺简单等优点被广大研究者广泛关注。但是全固态聚合物的低的室温离子电导、机械强度差、热稳定性差等问题限制了其在锂金属电池中的应用。(C.Wang,Y.Gong,B.Liu,K.Fu,Y.Yao,E.Hitz,Y.Li,J.Dai,S.Xu,W.Luo,E.D.Wachsman,L.Hu,Nano Lett.2017,17,565)。针对这一系列的问题，研究人员从不同角度提出了解决方案，如在聚合物电解质中添加增塑剂、纳米填料、嵌段共聚物等。但是以上方法，都没有综合地解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，制备出集离子电导率高、机械强度高、热稳定性好、化学性能稳定等综合性能于一身的全固态聚合物电解质是关键，本发明提出一种含有垂直阵列骨架的全固态聚合物电解质的制备方法，在这种复合电解质中引入垂直排布的高强度的二维填料，在复合电解质中构建连续的填料-聚合物界面，从而形成了连续贯通的高速锂离子传输路径。制备得到集离子电导率高、机械强度高、热稳定性好、化学性能稳定等综合性能于一身的全固态聚合物电解质，提高锂金属电池整体的电化学性能、稳定性以及安全性。

本发明的技术方案如下：一种含有垂直阵列骨架的全固态聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：

1)通过剥离手段制备二维材料，制备得到的二维材料片层；

2)将二维材料进行干燥；

3)将干燥后的二维材料制备成二维材料占整体质量2％～10％的去离子水分散液，加入相当于二维材料质量的0.1％～5％的粘结剂，搅拌均匀后得稳定的胶体；

4)将上述胶体转移到聚四氟模具中，模具的顶端和四周用泡沫塑料做绝热处理，将聚四氟模具水平放到制冷板上，对模具中的蛭石分散液进行定向冷冻；

5)将冷冻后的聚四氟模具转移到冷冻干燥器中，定向冷冻的蛭石胶体进行冻干后即得到垂直定向的二维材料阵列；

6)将聚环氧乙烷(PEO)与LiTFSI按照15:1～25:1的摩尔比进行配制聚合物电解质的无水乙腈溶液，固/液比控制在1:10～1:30；

7)将聚合物电解质的无水乙腈溶液灌到垂直定向的二维材料阵列中，通过真空干燥的方式脱除无水乙腈后即得到含有垂直排列的二维材料作为多功能添加剂的全固态聚合物电解质。

优选的，所述步骤1)中二维材料片层厚度为1nm～300nm，片层大小为1～20μm。