[发明专利]一种高性能的单离子聚合物固态电解质的制备及其应用

说明书

本发明提供了一种单离子聚合物固态电解质及其制备方法和应用。本发明在紫外光照下引发聚合可快速合成单离子聚合物固态电解质。本发明的单离子聚合物固态电解质为单离子聚合物骨架、增塑剂、粘粘剂组成。本发明的聚合物固态电解质具有良好的力学性能，能经受1～10MPa/cm2的压力，能弯折，聚合物固态电解质的室温电导率达到0.1～2mS/cm，且锂离子迁移数可达0.9。所述聚合物固态电解质用于锂离子电池时，在室温电导率高、与金属锂界面相容性好、较高的锂离子迁移数、库伦效率高、高倍率冲放电循环下电池比容量高等特点。

技术领域

本发明属于锂金属电池聚合物电解质领域，具体涉及一种室温高电导率、高锂离子迁移数、与金属锂界面相容性优异，较高电化学窗口的单离子聚合物固态电解质的制备方法及其应用。

背景技术

电解质作为锂离子电池的关键材料之一，其化学组成和结构直接影响锂离子电池的性能。目前商业化的锂离子电池仍以有机液态电解质为主，但液态电解质易燃、易爆、易泄露，且液态电解液与金属锂副反应较多，容易形成锂枝晶穿透商业化隔膜，最终造成电池短路，给锂离子电池的安全性能带来诸多问题。因此，研究固态电解质、赋予固态电解质在不同电池中多种功能、提升电池循环能力成为锂离子电池研究的重要方向。

固态电解质大致可分为两类：有机聚合物固态电解质、无机陶瓷固态电解质。无机陶瓷固态电解质具有较高的电导率，然而，其与电池极片固-固两相接触时，有效接触较差，形成的空间电荷层使得电池界面阻抗极大，锂离子迁移受阻，限制其在锂离子电池中的应用。聚合物电解质具有良好的机械性能、柔性以及很好的封装性，然而大多数单一聚合物固态电解质在室温下电导率介于10^-6S/cm至10^-7S/cm(J.AM.CHEM.SOC.2006，125，4619.),且锂盐的阴离子未固定在聚合物骨架上，在电池循环过程中，阴离子容易聚集在电极与电解质之间，浓差极化现象严重，阻碍了锂离子的迁移，锂离子迁移数一般在0.2左右(Chem.Soc.Rev.2017，46，797-815)，限制其在室温锂离子金属电池中的应用，然而将普通锂盐换成单离子单体，将阴离子固定在聚合物骨架上，限制阴离子迁移，可得到较高锂离子迁移数(ACS Applied Energy Materials 2019，2，3028-3034.)。另外一个影响固态聚合物电解质室温下具有高性能循环应用的关键因素是固体电解质和正负极之间具有良好的相容性，即具有较低的界面阻抗。因此，大量研究工作围绕着如何提升聚合物电解质电导率，降低电池循环过程中的浓差极化现象，以及提高固-固界面相容性问题展开。

公开号CN108832178B公开了一种新型聚氨酯类单离子聚合物电解质的制备，其机械强度较高，具有较高的锂离子迁移数，然而电导率处于10^-7S/cm数量级，室温下电池难以具有较好的循环性能，限制了其实际应用；公开号CN110444808A公开了一种长支链单离子聚合物电解质的制备及其应用，长支链有效破坏了线性聚氧化乙烯的规整度，提高了非晶相区的比例，然其室温电导率不高，锂离子迁移数不高，且未解决界面接触性问题；公开号CN108091930A公开了一种新型单离子聚合物电解质及其制备与应用，其有较高的锂离子迁移数，在高温条件下具有较好的循环性能，然而其室温电导率较低、界面阻抗较大，未能在室温下具有高性能电池循环；公开号CN103509153B公开了一种由(对乙烯苯磺酸)亚胺锂单体和甲氧基多缩乙二醇丙烯酸单体共聚得到的无规共聚物单离子聚合物电解质，其成膜性好，虽然在60℃高温下能具有较好的电导率，锂离子迁移数较高，但是室温下电导率仍然较低，未达到室温(25℃)下具有较好的电化学性能，且制备膜片过程中使用较多有机溶剂，不环保；

发明内容

针对上述问题，本发明目的是解决现有聚合物固态电解质室温离子电导率低、界面相容性差、较低的锂离子迁移数问题，提出了一种室温(25℃)下具有高电导率、优异的界面相容性、较高的锂离子迁移数的半互穿网络单离子聚合物固态电解质。