[发明专利]含苯并咪唑的单离子聚合物电解质、制备方法及其应用

说明书

本发明提供了含苯并咪唑的单离子聚合物电解质、制备方法及其应用。首先合成了一种新型的含苯并咪唑官能团的交联剂，然后与含双键的锂盐单体、引发剂、多官能度的环三磷腈的衍生物混合，通过自由基聚合原位生成具有交联网络结构的单离子聚合物固态电解质，再经浸泡增塑剂后，获得单离子聚合物凝胶电解质。本发明制备的单离子聚合物凝胶电解质具有高室温离子电导率、高锂离子迁移数、宽电化学窗口、优异的阻燃性能以及有效地抑制锂枝晶的生长，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，具体涉及含苯并咪唑的单离子聚合物电解质、制备方法及其应用。

背景技术

随着电动汽车、智能电网的飞速发展以及便携式电子产品的更新换代，人们致力于开发一种具有高能量密度(≥500Wh/kg)、高安全性的储能技术。传统的锂离子电池虽然具有输出电压高、无记忆效应、自放电小等优点而被广泛应用，但是仍满足不了人们对高能量密度、高功率密度储能电池的需要。锂金属具有最低的氧化还原电势、最高的理论比容量、低密度等优势，将其作为阳极材料，研发具有能量密度更高、使用寿命更长、安全性更好的锂金属电池至关重要。

众所周知，锂金属具有较高的化学活性，会与电解液发生反应，产生锂枝晶刺穿隔膜，导致电池短路，使电池出现热失控、燃烧、爆炸等一系列问题。要解决锂枝晶的问题，目前的研究主要有几种解决方案：一种是锂金属表面修饰，构筑一层坚固的人工固体电解质界面(SEI)层(J.Mater.Chem.A,2019,7,13113)，阻碍锂枝晶的成核近而抑制锂枝晶的生长；另一种是电解液的优化设计(CN 108630992 B、CN 110416615 A)，电解液中的成膜添加剂会促使在锂金属表面形成一层稳定的SEI膜，从而抑制锂枝晶的生长；还有就是制备单离子聚合物电解质，实现均匀的锂离子通量用于抑制锂枝晶的生长等。由于聚合物结构的复杂性以及种类的多样性，研究者逐渐掀起了对单离子聚合物电解质的研究热潮。

中国专利CN 112164824 B制备了一种阴离子受体型单离子导体阻燃聚合物凝胶电解质，该电解质采用静电纺丝PVDF膜作为基底，虽然可提高聚合物凝胶电解质的力学强度，但是PVDF膜在一定程度上会影响凝胶电解质的离子电导率，且不易控制凝胶电解质膜的均一性。

综述所述，如何合理地设计聚合物的化学结构、利用各组分的协同效应、简化制备工艺，最终获得高室温离子电导率、高锂离子迁移数、宽电化学窗口、高尺寸稳定性以及能够抑制锂枝晶的单离子聚合物电解质，是目前亟待解决的问题之一。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提供了一种含苯并咪唑的单离子聚合物凝胶电解质，它的制备方法包括如下步骤：

(1)将含苯并咪唑官能团的交联剂、多官能度的环三磷腈的衍生物、含双键的锂盐单体、引发剂依次加入到溶剂中，获得均一透明的铸膜液，所述的引发剂为热引发剂或光引发剂；

(2)向步骤(1)获得的铸膜液通入惰性气体后，浇铸在干净的基体上，在60-100℃下反应8-12h，再在100-140℃下干燥24-36h后，获得单离子聚合物固态电解质，再经浸泡增塑剂后，获得单离子聚合物凝胶电解质；所述的单离子聚合物凝胶电解质含有苯并咪唑的交联网络结构；

进一步，步骤(1)按照质量百分比计：含苯并咪唑官能团的交联剂的质量百分比为10-30％；多官能度的环三磷腈的衍生物的质量百分比为20-45％；含双键的锂盐单体的质量百分比为40-60％；引发剂的质量占交联剂、环三磷腈的衍生物和锂盐单体总质量的百分比为1-5％；

进一步，步骤(1)所述的含苯并咪唑官能团的交联剂的结构如下：

R₁是以下结构中的任意一种：