[发明专利]一种用于固态锂电池的高聚物电解质的制备方法

说明书

本发明公开一种用于固态锂电池的高聚物电解质的制备方法，它包括PS的合成；PS‑SO₂Cl的合成以及PSPhSILi的合成。本发明制备的PSPhSILi具有高离子导电率，高电压稳定性以及理想的化学、机械性能，可用于固态锂电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其是一种用于固态锂电池的高聚物电解质的制备方法。

背景技术

减少碳排放的压力、全球变暖和对化石燃料的过度依赖是电动汽车和混合动力汽车(EV/HEV)比燃烧化石燃料更具吸引力的替代品的几个因素。锂离子电池比铅酸电池具有更高的功率重量比(2.59MJ/Kg)。此外，锂离子电池在许多其他应用中具有良好的通用性，例如计算机、手机、照相机、摄像机和医疗设备。然而，目前的锂离子电池在大规模使用之前必须克服一些限制。其中三个最重要的挑战是能量密度、成本和运行安全性。电解质是锂离子电池中第二昂贵的(仅次于阴极)成分。电池公司正在拼命寻找低成本、更安全和高性能的电解质。

目前最先进的锂离子电池采用液体电解质由两部分组成：锂离子源和有机溶剂。锂离子源通常是单一或混合氟化锂盐[例如LiPF₆,CF₃SO₃Li以及(CF₃SO₂)₂NLi]。碳酸乙烯(EC)是一种常用的有机溶剂，由于其成本低、电化学稳定性好和介电常数高，有利于锂离子源的离解，导致离子电导率高。其他碳酸盐，如碳酸二甲酯(DMC)和碳酸丙烯(PC)，常与碳酸乙烯(EC)一起使用，以降低粘度，以及增加电解质溶液与电池组件的润湿性，如离子交换膜和电极。尽管碳酸盐溶剂具有这些重要的特性，但由于它们在没有热/火焰保护装置的情况下具有高度易燃的特性，因此不推荐用于柔性电池。

小型锂离子电池需要约5毫升液体电解质，而电动汽车电池则需要500-1000毫升的电解质。基于液体电解质的电池在某些极端情况下(例如过放电、电阻和/或强迫过放电),电池可能发生热失控,并导致严重的火灾和爆炸危险。因此，迫切需要设计和开发一种先进的无溶剂电解质体系，可以克服泄漏问题，且具有高离子电导率和理想的电化学和机械性能。

采用无溶剂高导电性固体聚合物电解质(SPE)系统的锂充电电池，将对电池行业产生重大影响。与目前的碳酸盐基液体电解质相比，将显著减少环境污染，提高性能。该体系的柔性电池能量密度高,电池电压高、自放电特性优越，在很大程度上规避了常规液体电解液锂离子电池的不足，如泄漏、不稳定和制造困难。

无溶剂高导电性固体聚合物电解质(SPE)需要的特性包括机械强度高，玻璃化转变温度(Tg)远低于室温，薄膜可加工性，良好的界面性能(兼容性和附着力)以及在环境温度下的平稳运行。此外，该系统必须能够以合理的成本大规模生产。

无溶剂高导电性固体聚合物电解质(SPE)的一个缺点是它们在环境温度下的电导率不足(远低于10^-3S/cm)。良好的离子导电性对于确保电池系统能够以高速率提供可用电量至关重要，这是电池的关键要求。在无溶剂聚合物电解质体系中，聚乙烯氧化物(PEO)是近几十年来研究最多的体系之一。PEO作为寄主的主要优点是它的化学、机械和电化学稳定性，因为它只含有C-O、C-C和C-H键。PEO是非常灵活的(Tg＝-61℃)，因为存在旋转醚键和重复单元(-CH₂CH₂O-)提供了合理的间距，最大限度地溶解锂盐。由于存在足够的链间纠缠，PEO电解质的行为像橡胶材料，但同时包含晶态和非晶态区域。需要注意的是，锂离子导电是通过扩散发生在非晶态，扩散是通过一个涉及PEO段迁移率的复杂机制发生的。PEO电解质还具有良好的熔体处理能力，这是非常理想的大规模生产电池。