[發明專利]聚乙烯吡咯烷酮基固體電解質的制備方法

無效

• 申請號: 201010184820.2
• 申請日: 2010-05-27
• 公開（公告）號: CN101859046A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 孫小衛;王金敏
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02F1/15
• 分類號: G02F1/15;H01M10/0565;H01G9/028
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及一種固體電解質。特別是涉及一種電化學性能穩定和機械性能良好的多用途的聚乙烯吡咯烷酮基固體電解質的制備方法。

背景技術

液體電解質已被廣泛應用于移動通訊、電動交通工具、電子表的電池和超級電容器，以及用作電致變色器件的電解質。但是這些使用液體電解質的電子器件具有很多的缺點：如器件封裝困難；電池易產生氣脹、漏液等問題，易造成電子器件的腐蝕和損壞；可能出現起火和爆炸等事故；應用于大面積的電致變色智能窗等大型器件中，液體電解質是一個很大的安全隱患。而采用聚合物固體電解質，則可有效克服液體電解質的上述缺陷。同時，由于聚合物良好的粘結性能，使得組裝的器件牢固可靠，安全性能顯著提高，從而可應用于對安全性要求較高的電動交通工具、電致變色智能窗、航天器和軍事等領域。

聚合物電解質一般由聚合物基體和無機鹽組成，具有離子導電能力，可用于電池、超級電容器和電致變色等器件。當用于電致變色器件時，可同時起到電解質和隔膜的作用。它除了提供電致變色材料所需的補償離子(如Li⁺，Na⁺，K⁺等)外，還需要有較高的離子電導率、機械強度，同時還必須具有良好的透光率。聚氧化乙烯(PEO)是目前研究最多的聚合物電解質基體材料。但是，室溫下PEO與堿金屬鹽的絡合物結晶度很高，所得電解質的電導率很低，不能滿足當前對快速充放電電池、超級容器和快速響應電致變色器件的使用要求。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為基體的聚合物電解質具有較高的離子電導率，與金屬鋰電極的界面穩定性和相容性較好，再加上PMMA原料豐富、價格低廉、制備簡單，從而引起了研究者們的興趣。然而，PMMA基聚合物電解質的機械強度較差，限制了它的應用。聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物也具有較高的離子電導率、良好的機械強度和化學穩定性，近來研究較多，但其單體的制備用到劇毒的氟化氫，生產過程危險。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一種水溶性的聚合物，具有很強的粘接能力，易獲得牢固穩定的全固態電子器件。它具有優良的生理惰性和生物相容性，不參與人體的新陳代謝，對皮膚、粘膜、眼睛等無刺激。PVP已廣泛用于制造定型液、噴發膠及摩絲的定型劑、護發劑的遮光劑、香波的泡沫穩定劑及染發劑中的分散劑和親合劑，紙張、紡織印染等工業中用作分散劑、成膜劑及乳化劑等助劑。PVP的生產工藝簡單、安全、成本低。PVP具有優良的溶解性和明顯的溶脹作用，溶于水中可以使溶液的體積達到所用溶劑體積的兩倍。溶脹后的溶液中含有PVP高分子長鏈形成的網絡結構，失去部分水分后形成聚合物凝膠，同時表面結膜。PVP的這種性質使其網絡結構可容納大量的導電離子，同時又具有較高的機械強度，非常適合用作鋰離子電池、超級電容器和電致變色器件的電解質基體。因此，PVP基聚合物電解質的開發具有重要意義。然而，目前還未見任何有關PVP用于聚合物電解質的文獻報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種操作簡便、成本低、電化學性能穩定和機械性能良好的多用途的聚乙烯吡咯烷酮基固體電解質的制備方法。

本發明所采用的技術方案是：一種聚乙烯吡咯烷酮基固體電解質的制備方法，包括如下步驟：

1)將2.5-14g鋰鹽或鉀鹽溶解于去離子水中，配成濃度為0.5-2mol/L的溶液；或將2.5-10g鋰鹽或鉀鹽溶解于有機溶劑PC和丙酮中，配成濃度為0.5-1mol/L的溶液。

2)將30-130g?PVP粉末溶解于上述溶液中，得到粘稠電解質，所用PVP的分子量介于8000-1300000；在所得粘稠電解質中，PVP所占的百分含量為：在含水型電解質中占45-55％；在非水型電解質中占25-35％；

3)將所得粘稠電解質涂敷或填充至相應器件中，在室溫下蒸發后形成固體電解質。

所述的鋰鹽是高氯酸鋰、四氟硼酸鋰、硫酸鋰或氯化鋰中的一種。

所述的鉀鹽是氯化鉀、硫酸鉀、四氟硼酸鉀和六氟磷酸鉀中的一種。

本發明的聚乙烯吡咯烷酮基固體電解質的制備方法，具有如下優點與有益效果：

1)采用水溶性的聚合物PVP為固體電解質的基體材料，既可溶于水也可溶于有機溶劑，可以根據不同需求制備含水型與非水型固體電解質。含水型的固體電解質成本更低、更環保，是一種環境友好型固體電解質。

2)PVP無臭、無味、物理化學性質穩定；原料來源廣泛、易得；粘接能力強、機械性能優良；具有成膜性；具有優良的生理惰性和生物相容性，對皮膚、粘膜、眼等無任何刺激。