[发明专利]一种原位聚合聚己内酯基全固态电解质及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种原位聚合聚己内酯基全固态电解质及其制备方法与应用。该方法包括：将锂盐和无机添加剂颗粒加入甲氧基聚己内酯丙烯酸酯中，得到混合液；将光引发剂加入混合液中，混匀，得到混合物；在惰性气氛下，将混合物涂覆在极片上，在紫外灯照射下进行原位聚合反应，得到所述原位聚合聚己内酯基全固态电解质。本发明的全固态电解质所具有的支化结构以及与聚合物材料颗粒复合使其具有高的机械强度、高的离子电导率、高的离子迁移数和宽的电化学窗口，并具有一定的生物可降解性。本发明的全固态电解质使用原位聚合制备方法，直接将前驱体涂敷于极片上在紫外光引发下自由基聚合得到固态电解质，工艺条件简单，高效便捷，无溶剂化对环境无污染。

技术领域

本发明涉及全固态锂离子电池技术领域，具体涉及一种原位聚合聚己内酯基全固态电解质及其制备方法与应用。

背景技术

1991年时，索尼公司首次将锂离子电池作为储能系统应用于小型照相机中。锂离子电池相比于其他电池来说，如氢镍电池、铅酸电池、镍铬电池等，具有电压高、比能量大、循环寿命长、自放电效应小、可快速充放电等种种优势，在电池市场上脱颖而出，因此，锂离子电池逐渐广泛应用于智能手机、摄像机、智能机器人、无人机等小型设备中，同时在电动汽车领域具有无限潜力。锂离子电池发展至今，其能量密度迟迟无法突破260 Wh·kg⁻¹，这极大地限制了锂离子电池在大型储能设备中的应用。除此之外，传统商业化锂离子电池中常用的有机电解液具有易泄露、易爆炸、易燃烧、环境不友好等问题，恐成为锂离子电池应用方面的安全隐患。

使用全固态电解质来替代传统有机电解液的方法不仅可大大提升锂离子电池的能量密度，还可从根本上解决安全隐患。固态电解质可统分为无机固态电解质和聚合物固态电解质两大类。聚合物固态电解质因其价格低廉、柔性易加工、高对锂稳定性等性能而成为新一代固态电解质的理想材料。聚合物固态聚合物体系一般由聚合物和锂盐组成，将锂盐溶解在聚合物中，通过聚合物的链段运动来传输锂离子，起到物质运输的作用。

聚己内酯(PCL)是一种线性脂肪族半结晶热塑性聚酯，具有约60℃的低熔点和约-60℃的玻璃化转变温度。而且，这种材料还具有良好的生物相容性，对环境友好，其酯键可以在微生物或水介质存在下发生水解进而使材料完全降解。近年来开始将PCL作为聚合物固态电解质来使用。根据文献报道，PCL拥有较宽的电化学稳定窗口和较高的锂离子迁移数，但是其线性结构下链段排布规整有序，室温下结晶度高，链段运动受到限制，离子电导率较低。曾有文献报道过，M. Ravi等人发现PCL-硫氰酸钾（LiSCN）（M. Ravi, S. Song, K.Gu, J. Tang, Z. Zhang, Electrical properties of biodegradable poly(ɛ-caprolactone): lithium thiocyanate complexed polymer electrolyte films,Materials Science and Engineering: B, 195 (2015) 74-83.）以及PCL-高氯酸锂（LiClO₄）（C.P. Fonseca, D.S. Rosa, F. Gaboardi, S. Neves, Development of abiodegradable polymer electrolyte for rechargeable batteries, J. PowerSources, 155 (2006) 381-384.）体系在室温下均呈现出低的离子电导率，约为10^-6 S cm^-1。这限制了该类聚合物固态电解质的应用。

发明内容

本发明的目的在于解决目前聚己内酯基固态电解质离子电导率较低的问题，并提供了一种原位聚合聚己内酯基全固态电解质及其制备方法与应用。

本发明提供的全固态电解质同时具有较高的机械强度、较宽的电化学稳定窗口、较高的离子电导率和较高的离子迁移数；采用原位聚合方法则使得极片与电解质之间连接紧密，减小界面阻抗，提高电池循环稳定性。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。