[发明专利]一种单离子导体聚合物电解质复合隔膜、其制备方法及应用

说明书

本发明属于电池隔膜相关领域，更具体地，涉及一种单离子导体聚合物电解质复合隔膜、其制备方法及应用。通过将具有特定结构和组成的单离子导体聚合物电解质与聚合物基体混合纺丝，得到机械强度、电池倍率和循环性能同时显著提升的电池用单离子导体聚合物电解质复合隔膜。本发明单离子导体聚合物电解质和聚合物基体之间形成氢键作用不仅能够显著增强复合隔膜的机械强度，还能明显提高金属离子迁移数和有效抑制金属枝晶生长。本发明制备的复合隔膜的孔隙率高、离子导电率高，有利于电池的倍率和循环性能，具有良好应用前景。

技术领域

本发明属于电池隔膜相关领域，更具体地，涉及一种单离子导体聚合物电解质复合隔膜、其制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池由于具有高的比能量和能量密度、低自放电率、宽工作电压和工作温度范围、环境友好、循环寿命长等优点，被广泛应用于便携式电子产品、电动工具、电动汽车和混合动力汽车等电子设备领域。目前，锂离子电池主要采用易燃、易爆和易挥发的有机液态电解质，导致其在长期使用过程中带来安全隐患问题。聚合物电解质作为一种具有良好加工性能的材料，尤其是其可根据不同电池性能要求进行合理设计，进而赋予电解质多种功能。基于以上原因，聚合物电解质被认为是锂离子电池关键材料研究的重要方向。

尽管聚合物电解质优点诸多，但由于其机械性能较差，在加工和电池使用过程中聚合物电解质薄膜具有较多缺点，如产生锂枝晶，离子电导率和锂离子迁移数低等问题，并可能引发电池短路导致安全隐患发生。针对以上多方面的技术问题，现有技术中已经提出了一些解决方案。例如，本申请的发明人在早期专利CN111326788A中提出了一种单离子聚合物电解质体系，该体系中单离子导体结构可赋予聚合物电解质抑制金属枝晶生长的功能。同时，该体系中的氢键在薄膜受到外力破坏时，由氢键构筑的物理交联则受到破坏，导致薄膜断裂界面处存在大量的动态氢键单元，当裂痕再次接触时重新组合形成交联的超分子动态网络，从而实现自愈合功能，较好地修复薄膜裂纹。

然而，进一步的研究表明，上述解决方案在聚合物电解质薄膜制备和电池使用过程中，薄膜机械强度相对偏弱，而且其在室温下不能进行充放电，其在60℃下电池倍率和循环性能也相对较低。为此，如何简便、合理地设计一类兼顾提高锂离子迁移数、抑制锂枝晶的生长和增强隔膜的机械强度，正成为本领域亟待解决的技术问题之一。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种兼顾机械强度、电池倍率和循环性能的电池用单离子导体聚合物电解质复合隔膜及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明提供了一种单离子导体聚合物电解质复合隔膜的制备方法，包括如下步骤：

将单离子导体聚合物电解质与聚合物基体混合分散在溶剂中形成纺丝液，并采用静电纺丝工艺制得单离子导体聚合物电解质复合隔膜；

其中，所述单离子导体聚合物电解质具有如式(一)所示的结构式：

式(一)中，x、y、z和n均取自然数，并且x：y＝100：10～10：100，x：z＝100：10～10：100，n＝3～20；所述聚合物基体中含有N、O和F中的一种或多种元素。

优选地，所述聚合物基体选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚氨酯、聚偏氟乙烯-丙烯腈共聚物、聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯和聚酰亚胺。

优选地，所述聚合物基体选自聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯-丙烯腈共聚物和聚酰亚胺。

优选地，所述聚氧化乙烯的分子量为100 000～5000 000。

优选地，所述聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物分子量为10 000～5000 000。