[发明专利]一种刚柔并济固态电解质膜的制备与应用

说明书

本发明属于锂电池技术领域，提供了一种刚柔并济固态电解质膜的制备与应用。溶剂蒸发法制备聚酰亚胺多孔膜作为刚性骨架，然后配制含有锂盐和光引发剂的可聚合醚类单体溶液，并将该溶液注入所制备的聚酰亚胺多孔膜中。静置后，置于紫外灯下照射，控制光照时间，得到这种结构上刚柔并济、可应用于固态锂金属电池中的固态电解质膜。本发明利用刚性的聚酰亚胺膜作为聚合物骨架，同时聚酰亚胺膜的多孔性可使醚类单体能够有效分散到聚合物骨架中，进而发生原位光引发聚合。在充放电过程中，聚酰亚胺多孔膜作为刚性骨架，有效的抑制了锂枝晶的形成；同时，光引发醚类单体聚合反应可控，使其聚合物链段柔性更好，从而提高了固态电池的循环性能。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体是涉及到一种刚柔并济固态电解质膜的制备与应用。

背景技术

锂金属理论比容量较高(可达3860mAh g^-1)，而电化学电位又很低(-3.04Vvs.SHE)，这使得二次可充锂电池近年来受到了广泛的关注，未来将在电动设备、电动汽车以及储能领域将发挥着不可替代的作用(Nat.Nanotechnol.,2017,12, 194–206)。虽然目前关于液态锂电池的研究较多，但由于电解液泄露、锂枝晶生长以及高压下电解液分解等带来的安全问题，极大的限制了液态锂电池的实际应用。为从根本上解决这些安全问题，同时满足进一步提高能量密度的需求，研究者们对固态锂电池的核心材料，也就是固态电解质进行了广泛的研究(Nat.Rev. Mater.,2017,2,16103)。

固态电解质在应用上需要解决电化学稳定性能、机械性能、热稳定性能、离子电导率及与电极相容性等诸多关键科学问题。为此，研究者们制备了多种不同类型的固态电解质，其中包括聚合物固态电解质、无机固态电解质以及有机无机复合固态电解质(Nat.Mater.,2017,16,572–579)。这其中，有机-无机复合固态电解质虽然理论上能够集聚合物固态电解质出色的机械性能和无机固态电解质优良的离子电导率于一体，但是实际上将两类电解质混合后，会部分损失各自性能，而且还往往存在混合不均匀的问题，这些都导致有机无机复合固态电解质仍然无法满足实际应用需求(Proc.Natl Acad.Sci.USA.,2016,113,13313–13317)。为此， Cui等人将聚氧化乙烯注入到商用聚酰亚胺膜中，得到了高机械模量、高离子电导率的聚合物电解质膜，证明了刚性聚合物骨架与柔性聚合物链结合的巨大优势(Nat.Mater.,2017,16,572–579)。为了提高膜材料制备过程的可控性，需要开发出孔径可控的聚合物骨架以及柔性可控的聚合物链段，同时本申请引入原位聚合技术，可使基质聚合物与柔性聚合物之间更加紧密结合。

发明内容

本发明提供一种聚酰亚胺与聚醚原位复合制备固态电解质的方法。首先，制备具有优异机械性能的聚酰亚胺多孔膜；其次，将可聚合醚类单体溶液注入所制备的聚酰亚胺多孔膜中；最后，在紫外光照条件下，醚类单体可在聚合物骨架中原位聚合，解决了骨架和柔性聚合链在复合过程中无法紧密结合的问题。组装锂金属电池后，在充放电过程中，聚酰亚胺多孔膜作为刚性骨架，有效的抑制了锂枝晶的形成，同时醚类单体由于可控的光引发反应，具有更柔性的聚合物链段，赋予了这种固态电解质更高的离子电导率，从而提高了全固态电池的循环性能。

本发明的根本目的是提供一种刚柔并济固态电解质膜的应用。

本发明的技术方案：

一种刚柔并济固态电解质膜的制备方法，步骤如下：

(1)将聚酰亚胺、致孔剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合，充分搅拌均匀；将上述均匀物质涂覆在聚四氟乙烯板上，然后置于真空干燥箱中烘干，得到聚酰亚胺多孔膜，备用；