[发明专利]半互穿网络结构的单离子聚合物固态电解质及其制备方法

说明书

本发明提供了半互穿网络结构的单离子聚合物固态电解质及其制备方法。单离子聚合物固态电解质的制备方法包括：将含苯并咪唑的单体、多官能度的聚乙二醇的衍生物、含双键的锂盐单体、热引发剂一起溶于溶剂中，得到均一的溶液，通入惰性气体后，浇铸在基体上，热引发自由基聚合及交联反应，原位生成含苯并咪唑的半互穿网络结构的单离子聚合物固态电解质。本发明制备的单离子聚合物固态电解质的锂离子迁移数高、电化学窗口宽、室温离子电导率高并具有良好的界面相容性、机械性能优异，可广泛应用于锂电池领域。

技术领域

本发明属于锂电池的技术领域，具体涉及半互穿网络结构的单离子聚合物固态电解质及其制备方法。

背景技术

锂离子电池虽然具有自放电小、无记忆效应、寿命长等优点，但能量密度逐渐满足不了未来新能源汽车、智能电网系统对高效储能技术的需求。研究发现，锂金属电池与商业化的锂离子电池相比，具有更高的能量密度以及功率密度，如果成功实现工业化，这将会对社会的发展具有划时代的意义。目前，锂电池的电解质主要分为液态电解质和固态电解质两大类。液态电解质主要是由有机非质子混合溶剂和小分子锂盐组成。由于锂金属的化学活性非常高，会与溶剂发生反应，易产生锂枝晶，而且有机溶剂的沸点相对较低，容易燃烧，这会对锂金属电池的安全带来隐患，而固态电解质可以很好的解决这一问题。

固态电解质主要分为无机固态电解质和聚合物电解质。无机固态电解质具有较高的电导率、宽的电化学窗口，但是脆性较大且制备条件苛刻，不利于大规模的生产。而聚合物电解质具有重量轻、成本低且柔韧性好等优势被广泛地研究。2011年，Bollore公司采用聚环氧乙烷(PEO)体系与锂金属、LiFePO₄耦合，成功地生产出聚合物固态锂电池，并应用于纯电动汽车(Bulecar)中，这一成功应用对聚合物电解质的研究意义非凡。但PEO作为聚合物基体，仍存在一些缺陷，比如半结晶的特性导致固态聚合物电解质的室温离子电导率低，而且对应的电化学窗口比较窄，无法与三元正极材料相匹配，从而不能进一步提高电池的能量密度。

研究并开发一种具有高室温离子电导率、宽电化学窗口、高机械强度、高锂离子迁移数的聚合物固态电解质显得格外重要。现有文献报道了以双烯硼酸锂盐、多巯基或多烯化合物作为单体，与线型导离子聚合物、小分子锂盐混合，通过原位紫外固化制备双盐固态电解质。该制备方法简单易行、锂离子传导能力强，但是由于小分子锂盐的存在，锂离子迁移数不太理想。另外相关文献也报道了采用小分子锂盐作为锂源制备聚碳酸酯基固态聚合物电解质，虽然电解质界面稳定性好，但室温离子电导率在10-⁵-10-⁷S/cm之间，锂离子迁移数也不理想。

综上所述，现有技术制备的聚合物固态电解质主要为含有小分子锂盐的双离子导体体系，这种固态电解质无法同时具备高室温离子电导率、高锂离子迁移数、宽电化学窗口、优异的综合性能，因此如何获得同时具备高室温离子电导率、高锂离子迁移数、宽电化学窗口、综合性能优异的聚合物固态电解质是目前亟待解决的技术难题。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提供了半互穿网络结构的单离子聚合物固态电解质，具体步骤如下：

(1)将含苯并咪唑的单体、多官能度的聚乙二醇的衍生物、含双键的锂盐单体、热引发剂一起溶于溶剂中，得到均一的溶液；

(2)向步骤(1)获得的溶液通入惰性气体后，浇铸在基体上，在80-100℃下进行自由基聚合及交联反应6-24h，再在120-160℃下干燥20-36h，获得单离子聚合物固态电解质，所述的单离子聚合物固态电解质含有苯并咪唑的半互穿网络结构；

步骤(1)按照质量百分比计：含苯并咪唑的单体的质量百分比为15-30％；多官能度的聚乙二醇的衍生物的质量百分比为24-45％；含双键的锂盐单体的质量百分比为30-60％；热引发剂的质量占锂盐单体的百分比为1-4％；

步骤(1)所述的含苯并咪唑的单体的结构如下：