[發明專利]彈性固態電解質材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110160386.2
• 申請日: 2021-02-05
• 公開（公告）號: CN112851871B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 楊樹斌;史永正
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C08F279/02
• 分類號: C08F279/02;C08F226/06;H01M10/0525;H01M10/056;H01M10/058;H01M10/42
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 張慧娟

本發明公開了一種彈性固態電解質材料及其制備方法，其中，彈性固態電解質材料包括有橡膠基體和金屬鹽，金屬鹽分散于橡膠基體中，橡膠基體由橡膠材料與離子液體反應得到，其中，橡膠材料與離子液體中均含有不飽和化學鍵，離子液體的分子通過不飽和化學鍵的加成反應接枝于橡膠材料的分子鏈上得到橡膠基體。本發明一方面保留了橡膠材料高彈性的特點，另一方面還具有優異的離子傳導性能，特別適合用于制備柔性或可折疊固態電池，極大地擴大固態電池的應用范圍。

技術領域

本發明屬于固態電池領域，更具體的涉及一種用于固態電池的彈性固態電解質材料及其制備方法。

背景技術

固態電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池。傳統鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據了電池中近40%的體積和25%的質量。而如果把它們用固態電解質取代，正負極之間的距離（傳統上由隔膜電解液填充，現在由固態電解質填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低——因此全固態電池技術是電池小型化，薄膜化的必經之路。使用了全固態電解質后，鋰離子電池的適用材料體系也會發生改變，其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。因此，固態鋰金屬電池具有廣闊的商業化前景。

但固態鋰金屬電池在實際應用中有一些急需解決的問題。首先，應用于鋰金屬電池電極間的固態聚合物電解質（如PEO/LiTFSI）導鋰性能較差，難以支持電池系統在室溫下高倍率充放電；其次，金屬鋰負極在充放電過程中體積變化率較大，導致電極與固體電解質之間的固固接觸不穩定，導致固態鋰金屬電池在室溫下循環壽命短、能量密度低、功率密度低；再次，現有的具有較高導鋰性能的固態電解質主要是脆性的陶瓷材料，其機械性能難以適應柔性超薄固態鋰金屬電池的應用需求。這些問題會阻礙了固態鋰金屬電池的進一步實際應用。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種彈性固態電解質材料，包括有橡膠基體和金屬鹽，金屬鹽分散于橡膠基體中，橡膠基體由橡膠材料與離子液體反應得到，其中，橡膠材料與離子液體中均含有不飽和化學鍵，離子液體的分子通過不飽和化學鍵的加成反應接枝于橡膠材料的分子鏈上得到橡膠基體。

在一些實施方式中，橡膠基體具有交聯態的分子鏈結構。

在一些實施方式中，離子液體的種類為含碳-碳雙鍵的咪唑型、吡啶型、哌啶型或吡咯烷型離子液體；橡膠材料包括天然橡膠、合成橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠中的一種或多種。

在一些實施方式中，橡膠材料與離子液體的質量比介于1:0.5~1:4之間。

在一些實施方式中，離子液體與金屬鹽的質量比介于10:1~1:1之間。

在一些實施方式中，橡膠材料的分子鏈上，和/或，離子液體的分子中有含N或P元素。

在一些實施方式中，橡膠基體中還分散有阻燃劑。

在一些實施方式中，金屬鹽為金屬鋰鹽。

在一些實施方式中，彈性固態電解質材料為膜的形態，其厚度介于5 μm至1000 μm之間。

本發明還提供一種彈性固態電解質材料的制備方法，包括：

混合步驟：將包括橡膠材料、離子液體、金屬鹽和引發劑的成分溶于溶劑中，形成一混合流體，其中，橡膠材料與離子液體中均含有不飽和化學鍵；

固化步驟：離子液體通過不飽和鍵的加成反應接枝于橡膠材料的分子鏈上，形成一彈性固態電解質材料。

在一些實施方式中，混合步驟之后還包括一成膜步驟：將混合流體形成一膜狀，待固化步驟之后，得到一彈性固態電解質膜。