[发明专利]一种锂单离子聚酰亚胺凝胶聚合物电解质及不同增塑剂和制备工艺

说明书

本发明提供了一种锂单离子聚酰亚胺凝胶聚合物电解质的制备及不同增塑剂和制备工艺，锂单离子聚合物的化学结构如式(I)所示。本发明利用锂单离子聚酰亚胺聚合物与功能性聚合物混合铺膜得到聚合物电解质；将得到的聚合物电解质通过浸泡不同的增塑剂降低聚合物电解质的玻璃化的转变温度，解离聚合物的结晶状态，为聚合物电解质提供载流子，提高聚合物及其自身的极性，破坏锂离子与聚合物之间的配位键，进而促进锂离子在其凝胶聚合物电解质的解离和移动，并通过调整浸泡增塑剂的时间等工艺，获得具有较高离子电导率，较宽的稳定电化学窗口及较高的放电比容量等优异的电化学性能和循环稳定性的凝胶聚合物电解质锂离子电池。

技术领域

本发明属于聚合物以及锂离子电池领域，具体涉一种锂单离子聚酰亚胺凝胶聚合物电解质的制备及不同增塑剂及制备工艺对其性能的影响和锂离子电池性能的研究。

背景技术

石油资源的短缺及化石能源使用带来的环境污染等，一系列新型能源应运而生，储能设备器件等蓬勃发展，其中锂离子电池（LIBs）作为最有前途的储能器件之一，以其高比能量和高能量密度而备受关注。传统的锂离子电池是由液态有机电解质、隔膜、正极、负极等组成。然而，目前应用最广泛的商用液体电解质LIBs存在着严重的安全问题，如液体泄漏、可燃性和爆炸性。很多策略都有探索用聚合物电解质代替液体电解质制备安全性更高的高性能电池，聚合物电解质通常是由极性高分子和金属盐络合而成，因其具有高的安全性、力学柔性、黏弹性和易成膜等诸多优点，被认为是下一代高能存储器件用最具潜力的电解质之一。聚合物电解质可分为固体聚合物电解质（SPEs）和凝胶聚合物电解质（GPEs）。固态电解质代替液体电解质是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的锂离子电池的重要的方法途径，但由于SPEs本身的低的离子电导率和较低的放电比容量限制了其广泛的发展应用。

相对而言，GPE由于其具有较高的离子导电率、较高的放电比容量与电极良好的相容性等突出优点成为研究热点。GPEs一般由聚合物基体和锂盐组成，添加增塑剂促进锂离子的迁移，使其具有较高的离子电导率。此外，GPEs具有良好的柔韧性和与电极的相容性，有利于抑制锂枝晶在充放电过程中的生长，从而使用GPEs组装的LIBs具有良好的循环性能。其中，单离子聚合物电解质，是指将阴离子固定在聚合物骨架上，只有锂离子可以自由移动的聚合物电解质。相对于传统的双离子型聚合物电解质，可以避免浓差极化，锂离子迁移数接近1，且能改善电池循环性能。单离子凝胶聚合物电解质具有高的离子电导率和高的锂离子迁移数，进而获得优异的电化学性能。

ROHAN等通过Hinsberg反应合成了含双苯磺酰亚胺的单离子导体，与PVDF混合组成的聚合物膜在EC:PC（1∶1）的溶剂下室温离子电导率为1.1×10⁻³ S/cm。该膜具有4.5 V的电化学稳定窗口，但其电化学循环稳定性较差。BOUCHET等合成了一种BAB三嵌段结构的共聚物，其中双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂（LiTFSI）共价键合到PS主链上。由于PS是离子绝缘体，必须将Li⁺置于富含PEO的微相中才能有效地进行离子传输，其离子电导率为3.4×10⁻⁵ S/cm，其离子电导率较低。Sun等通过PEGM接枝的单离子锂盐聚合物电解质的电池稳定性不好，且PEGM的热稳定较差。