[發明專利]ZIF-8@PEGMEM-co-AMPS-Li單離子聚合物固體電解質及制備

有效

• 申請號: 202110822564.3
• 申請日: 2021-07-21
• 公開（公告）號: CN113540559B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 張錦芳;王媛媛;李曉峰;劉斌;李瑩;李寧;胡勝亮
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/058;C08F283/06;C08F220/58
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉

本發明公開了一種ZIF?8@PEGMEM?co?AMPS?Li單離子聚合物固體電解質及其制備方法。ZIF?8@PEGMEM?co?AMPS?Li單離子聚合物固體電解質的制備過程為：將ZIF?8與2?丙烯酰氨基?2?甲基?1?丙烷磺酸單體和甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯單體混合后，通過自由基引發劑引發聚合反應，聚合反應完成后，采用氫氧化鋰溶液鋰化，沉降，即得具有良好的離子電導率、電化學窗口以及與電極接觸界面相容性好等特點的ZIF?8@PEGMEM?co?AMPS?Li單離子聚合物固體電解質，能夠有效克服現有技術所存在的缺陷。

技術領域

本發明涉及一種固體電解質材料，特別涉及一種由PEGMEM-co-AMPS-Li單離子聚合物與ZIF-8原位復合形成的單離子基聚合物固態電解質，還涉及其制備方法，屬于全固態鋰離子電池技術領域。

背景技術

人類的生存和發展離不開能源，隨著社會生產力的發展，人類對能源的需求迅速增長。鋰離子電池作為新一代儲能元件具有質量輕、循環壽命長、無記憶效應、無環境污染等優點，已廣泛用于電動汽車、便攜式電子設備、國防科技等領域；同時，采用具有更高能量密度的鋰金屬作為負極材料的鋰金屬電池也受到越來越多的關注。

目前，鋰離子電池所采用的電解質大多為液態電解質，其中含有大量有機溶劑，具有易揮發、易泄露、有毒、易燃易爆等安全性問題，危及人身安全。同時，在鋰金屬電池的研發過程中，由于鋰金屬具有較高的反應活性，機械性能較差的液態電解質往往導致充放電過程中鋰金屬的不穩定沉積和枝晶生長的問題，造成電池性能下降、短路等一系列問題。這些都嚴重限制了鋰電池產業的發展。

鋰離子電池固態電解質因不使用溶劑并具備抑制鋰枝晶的優勢正被用以取代液態電解質。單離子導體聚合物電解質作為其中的一種固態電解質，其由一個聚合物主鏈和一個可自由移動并負責離子遷移的陰離子基團組成，其特殊的結構可使鋰離子遷移穩定并且統一，但其單一結構的使用無法滿足鋰離子電池對離子電導率、電化學窗口等性能的整體要求。為了得到高電導率的單離子固態聚合物電解質，在聚合物電解質中加入固體無機填料形成復合電解質是一個突破口，與未加填料相比，單離子復合聚合物電解質的電導率有了明顯提高，機械性能得到改善，與電極的界面穩定性增強，使其有可能成為高性能鋰離子電池中新一代電解質材料。但現有單離子聚合物電解質的離子電導率、電化學窗口、以及其與電極接觸界面的相容性仍有待進一步提高。

發明內容

針對現有技術中單離子基聚合物固態電解質存在的缺陷，本發明的第一個目的是在于提供一種由PEGMEM-co-AMPS-Li單離子聚合物與ZIF-8原位復合形成的單離子基聚合物固態電解質，其具有良好的離子電導率、電化學窗口以及與電極接觸界面相容性好等特點，能夠有效克服現有技術所存在的缺陷。

本發明的第二個目的是在于提供一種ZIF-8@PEGMEM-co-AMPS-Li單離子聚合物固體電解質的制備方法，該方法操作簡單、成本低，有利于大規模生產。

為了實現上述技術目的，本發明提供了一種ZIF-8@PEGMEM-co-AMPS-Li單離子聚合物固體電解質，其由PEGMEM-co-AMPS-Li聚合物包覆ZIF-8構成；

所述PEGMEM-co-AMPS-Li聚合物具有式1所示結構：

其中，m為10～100的整數，n為10～200的整數，k為18～19。

本發明的PEGMEM-co-AMPS-Li聚合物為無規共聚物，2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸鋰單元和甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯單元的比例需控制在適當的范圍內，當m過低時，單離子導體聚合物電解質膜的柔韌性較差，鋰離子的有效傳輸路徑減少，當m過高時，單離子導體聚合物電解質膜的機械性能太差難以成型；相反，當n過低時，單離子導體聚合物中聚氧乙烯醚鏈段的結晶度較高，無法使鋰離子進行更好的傳輸，當n過高時，單離子導體聚合物的剛性太大，亦影響電解質的成膜。