[发明专利]一种聚脲、聚硫脲超离子固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及聚合物固态电池领域，公开了一种聚脲、聚硫脲超离子固态电解质及其制备方法和应用。所述超离子固态电解质包括聚合物基体和金属锂盐，所述聚合物基体是主链型聚硫脲、侧链型聚硫脲或聚脲中的一种。本发明通过在聚合物主链、侧链上引入硫脲基团或脲基，与锂盐阴离子形成强超分子相互作用，促进锂盐在聚合物基体中的溶解；并引入新型传输机制，从而获得高转移数、高离子电导率的超离子固态电解质。

技术领域

本发明属于聚合物固态电解质材料领域，具体涉及一种聚脲、聚硫脲超离子固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池由于其高能量密度、高功率、长使用寿命和优异的电化学性能，已广泛地应用到日常生活。然而，商业化的锂离子电池中，在实际应用过程中存在泄露易燃的安全隐患，与电极材料发生副反应导致电池容量不可逆衰减等缺点。同时，下一代储能系统要求更高的能量密度和安全性。因此，锂金属阳极固态电池近年来已经引发世界范围内的研究热潮。

为了实现锂金属阳极固态电池，迫切需要开发具有高离子电导率、高机械强度、良好的界面兼容性、良好的加工性和化学/电化学稳定性的固态电解质。无机/陶瓷固态电解质具有较高机械强度，高室温离子导电率及宽化学窗口，但其化学和电化学稳定性差、加工性差以及固/固界面阻抗偏大限制了其进一步应用。另一种选择是具有易加工性和柔性的聚合物固态电解质。现阶段聚合物固态电解质以聚环氧乙烷基(PEO)材料为主，由于离子扩散和聚合物链段运动的强耦合的，导致了其室温离子电导率低(10^-5～10^-6S·cm^-2)，离子迁移数低(0.1～0.2)以及机械强度弱等问题，严重限制了聚合物固态电解质的应用。为了改善聚合物固态电解质性能，人们提出了多种策略，包括引入纳米填料(S.Jayanthi andB.Sundaresan,Ionics,2015,21,705-717.)、单离子导电聚合物(W.Zhang,Chem.Mater.2021,33,524-534.)、嵌段共聚物(M.Jia,Adv.Funct.Mater.2021,31,2101736.)等。然而上述方法都不足以满足电池的实际应用要求。

为了打破聚合物电解质中的离子电导率、锂离子迁移数和机械强度之间的内在矛盾，新型传输机制的聚合物固态电解质材料的开发亟待解决。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种聚脲、聚硫脲超离子固态电解质及其制备方法和应用。该固态电解质具有高机械强度、高室温离子导电率和高离子电导率。

本发明的具体技术方案为：

一种聚脲、聚硫脲超离子固态电解质，包括聚合物基体和金属锂盐。

本发明在聚合物主链或侧链上引入硫脲基或脲基于以下优势：1)硫脲基或脲基和锂离子阴离子之间通过协同的静电作用和氢键作用形成紧密的结合，促进锂盐在聚合物基体中的溶解；2)沿着聚硫脲链或聚脲链锚定的高密度硫脲基或脲基和阴离子作为极性位点结合锂离子，构建离子传导通道，并以与聚合物链段运动解耦的方式协助锂离子的运动。通过该类新型传输机制的引入和聚合物材料的优化，本发明的超离子固态电解质具有高转移数、高离子电导率和优异的机械强度。

本发明所述聚合物基体是主链型聚硫脲、侧链型聚硫脲或聚脲中的一种。所述主链型聚硫脲的结构如式1所示，所述侧链型聚硫脲或聚脲的结构如式2所示。

R₁和R₂为中的一种或两种；

R₃为脲基或硫脲基；

R₄为中的一种。

本发明提供一种聚脲、聚硫脲超离子固态电解质的制备方法，包括以下步骤：聚合物基体与锂盐分别溶解后混合均匀，倒入聚四氟乙烯板中，烘干，得到超离子固态电解质。