[發明專利]一種聚合物電解質薄膜、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202011643287.1
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112778677B
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 張鵬;周澤坤;劉真;張霖雲
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C08L51/04
• 分類號: C08L51/04;C08K5/435;C08J5/22;H01M10/0525;H01M10/0565
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 顏希文

本發明提供了一種聚合物電解質薄膜、制備方法及其應用。本發明聚合物電解質薄膜的制備方法包括如下步驟：(1)原料預處理：將天甲橡膠、電解質鹽分別進行干燥預處理；(2)聚合物薄膜制備：將天甲橡膠在雙輥塑練機上軟化，包輥形成表面均勻平整的聚合物薄膜；(3)聚合物薄膜與電解質鹽的混煉；(4)聚合物電解質薄膜成型。采用本發明技術方案制備的聚合物電解質薄膜界面兼容性高、鋰離子傳導能力強、機械強度好、使用安全性高，且原料成本低廉，有望實現聚合物電解質在全固態二次離子電池當中的大規模商業化應用。

技術領域

本發明涉及二次離子電池技術領域，特別涉及一種聚合物電解質薄膜、制備方法及其應用。

背景技術

二次鋰電池目前普遍應用于商用便攜式電子設備，傳統采用液體電解質的鋰電池，雖然利用了液體電解質較高離子電導率的性質，但液體電解質易燃性高、熱穩定性低且不能抑制鋰枝晶的生長，容易引發電池火災和爆炸。此外，傳統的液體電解質具有相對較窄的電化學穩定性窗口(ESW)，這也阻礙了它們在高壓電極材料中的應用。在電動汽車及航空運輸領域，對電池的安全性以及能量密度具有更高的要求，這對含有揮發性物質和易燃液體碳酸鹽電解質的電池系統而言是一個重大挑戰。液體電解質的缺陷已成為鋰電池技術進一步安全發展的一個重要障礙。

固體聚合物電解質由于其良好的機械性能和柔韌性，被認為是未來電池發展中替代液體電解質的一種有前途、更安全的替代品。不幸的是，聚合物固有的低的室溫離子電導率，導致大多數聚合物電解質需要用液體溶劑塑化才能達到高的離子電導率，而且聚合物電解質大多是基于溶劑揮發自組裝制備的。不少研究已經證實，溶劑或多或少的會殘留在體系當中，這不僅降低了電解質的力學性能，而且易揮發的自由溶劑分子也會導致易燃易爆炸的安全問題。相比之下，熔融共混的制備方式能夠真正實現無溶劑的聚合物電解質的制備，同時混煉的聚合物加工工藝方式也能保證鋰鹽在聚合物中均勻的離解與分布。

提高電解質中的鋰鹽濃度已被證明是提高某些液相體系中Li⁺遷移數的有效方法。同樣，對于聚合物電解質體系，提高鋰鹽含量對提高電解質離子電導率和鋰離子陽遷移數都有顯著影響。Angell(Nature 1993，362(6416)，137-9)等人首先提出了polymer insalt(鹽摻聚合物)電解質的概念，表明高濃度聚合物電解質的玻璃化轉變溫度(Tg)可以保持在室溫以下，產生具有較高電化學穩定性的導電橡膠固體。同時polymer in salt電解質體系中高的離子電導率以及高的陽離子遷移數被認為與高濃度鋰鹽團簇的形成有關，導致了部分鋰離子的傳輸與聚合物鏈段運動脫鉤，從而極大的提高了鋰離子的傳輸性能(SolidState Ionics 1999，19(1-4)，217-222；Electrochimica Acta 2000，45(8-9)，1243-1247)。此外，高鹽體系中離子聚集體的形成，對聚合物電解質薄膜的力學性能能夠起到一定增強的作用(Annu.Rev.Chem.Biomol.Eng.2017.8，499-523；J.Am.Chem.Soc.2020，142，857-866)。

Polymer in salt型的高鹽橡膠態電解質體系可以帶來高離子電導率和高鋰離子轉移數，是開發高性能電解質的一種有效策略。但是polymer in salt型的電解質體系通常對聚合物的要求比較嚴苛，低玻璃化轉變溫度的嵌段聚合物是polymer in salt型電解質體系有利的候選材料?；诋愇於┗奶烊幌鹉z聚合物，由于其極低的玻璃化轉變溫度，受到了人們的關注。