[發(fā)明專利]一種聚合物電解質(zhì)、制備方法和在鋰離子電池中應(yīng)用

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• 申請日: 2022-05-26
• 公開（公告）號: CN114914534A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張衛(wèi)新;張云龍;穆罕默德阿爾凡;楊則恒;唐偉建;黃小琴;賴紀(jì)東;蘇建徽
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院（安徽省能源實驗室）;合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/0525
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 李曉莉

本發(fā)明提供了一種聚合物電解質(zhì)、其制備方法及在鋰離子電池中應(yīng)用。首先利用點擊反應(yīng)(Click Reaction)合成所設(shè)計的烷基丙磺酸鋰單體，然后使用不同化學(xué)溶劑和步驟純化單體，再將純化單體與聚合物基體、鋰鹽共混加熱，經(jīng)過在多孔纖維隔膜上刮涂并完全浸潤、干燥，制得聚合物電解質(zhì)膜。本發(fā)明所制備的聚合物電解質(zhì)膜具有高的離子電導(dǎo)率和鋰離子遷移數(shù)，并具有良好的電化學(xué)與機械穩(wěn)定性，該方法對于提升鋰離子電池安全性能和使用壽命具有顯著效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，尤其涉及一種聚合物電解質(zhì)、制備方法和在鋰離子電池中應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著能量存儲技術(shù)在便攜式電子設(shè)備、電動汽車和電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域快速更迭，具有高比容量、無記憶效應(yīng)和循環(huán)壽命長等優(yōu)點的鋰離子電池受到廣泛關(guān)注，在推進產(chǎn)業(yè)升級和國民經(jīng)濟健康、綠色發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)鋰離子電池使用石墨作為負極(理論容量372 mAh/g)，液體電解質(zhì)作為離子傳輸?shù)慕橘|(zhì)，但是液體有機電解質(zhì)存在易泄漏、易燃燒等安全隱患，而石墨負極則存在能量密度低的問題。

為了進一步提高鋰離子電池的能量密度，采用鋰金屬(理論容量3860mAh/g)作為負極具有非常大的應(yīng)用前景。但是由于鋰金屬的化學(xué)性質(zhì)活潑，在電池充放電過程中易與液體電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不可逆的電解質(zhì)界面層(SEI)，使容量不斷下降。此外，鋰金屬負極表面凹凸不平，存在許多突起，由于尖端效應(yīng)在突起處的電子電荷分布變多，導(dǎo)致更多的 Li⁺被吸引而發(fā)生不均勻沉積形成鋰枝晶和“死鋰”，不可控的鋰枝晶生長極有可能刺穿隔膜導(dǎo)致正負極短路，引發(fā)電池過熱、燃燒，甚至爆炸風(fēng)險。

使用聚合物電解質(zhì)可以克服液體電解質(zhì)電池存在的泄漏、內(nèi)部短路、過熱和燃燒等安全問題。聚合物電解質(zhì)具有比較好的電化學(xué)穩(wěn)定性，不易與鋰金屬反應(yīng)，而優(yōu)異的機械性能一定程度上可抑制鋰枝晶的生長和刺穿。此外，良好的柔性能夠使聚合物電解質(zhì)緊密貼合鋰金屬負極和正極材料，致密的結(jié)構(gòu)能夠一定程度上引導(dǎo)鋰離子在鋰金屬負極表面的均勻沉積。但是，常規(guī)聚合物電解質(zhì)為雙離子傳導(dǎo)，短鏈陰離子鋰鹽溶解在聚合物主體中，其中鋰離子及其配對的陰離子皆可移動。由于鋰離子與聚合物基體Lewis堿性位點高度耦合，使鋰離子的遷移速率低于其對應(yīng)的陰離子，最終降低聚合物電解質(zhì)的鋰離子遷移數(shù)(LTN)。此外，隨著電池充放電過程的進行，陰離子較快速地傳遞使其在陽極側(cè)積聚產(chǎn)生濃度梯度，使得鋰離子電池產(chǎn)生濃差極化，導(dǎo)致較大的過電勢和內(nèi)部阻抗，限制了鋰離子電池能量密度和功率密度的提升。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種聚合物電解質(zhì)、制備方法和在鋰離子電池中應(yīng)用。本發(fā)明提出了一種烷基磺酸鋰交聯(lián)結(jié)構(gòu)聚合物電解質(zhì)，通過引入兩性離子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建氫鍵和離子-偶極子相互作用，降低聚合物電解質(zhì)內(nèi)部負電荷密度，促進Li⁺的遷移，陰離子受體與聚合物主鏈共價連接，有效固定陰離子運動，增強聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)和熱穩(wěn)定性，提高鋰離子遷移數(shù)和離子電導(dǎo)率，使用多孔纖維隔膜作為支撐載體增強了電解質(zhì)的機械性能，由所述聚合物電解質(zhì)組裝的鋰離子電池電化學(xué)性能優(yōu)良，充放電循環(huán)穩(wěn)定。

一種聚合物電解質(zhì)，所述聚合物電解質(zhì)包括以下組成部分以及相對于所述聚合物電解質(zhì)總質(zhì)量的組成比例：

(1)10-50wt％的磺酸鋰化合物組分，所述磺酸鋰化合物組分為第一磺酸鋰型化合物與硅酸四烷基酯的縮合產(chǎn)物、以及任選的第二磺酸鋰型化合物；

硅酸四烷基酯對第一磺酸鋰型化合物與第二磺酸鋰型化合物之和的摩爾比為1:10～50，

第一磺酸鋰型化合物和第二磺酸鋰型化合物各自獨立地由下式I、式II或式III表示：

在式I中，R為H、甲基、C4-C8烷基或硅酸烷基；優(yōu)選R為H；條件是對于第一磺酸鋰型化合物R＝H。優(yōu)選地，n是選自2～8的整數(shù)。優(yōu)選n是選自4～8的整數(shù)。優(yōu)選n為4。