[發明專利]一種固態聚合物電解質膜及其制備方法、鋰金屬電池

在審

• 申請號: 202310165103.2
• 申請日: 2023-02-16
• 公開（公告）號: CN116231062A
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 黃妍斐;戴琛
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/052
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產權代理有限公司 44311
• 代理人: 曾昭毅

本申請提供了一種固態聚合物電解質膜的制備方法，包括以下步驟：將聚(偏氟乙烯?三氟乙烯?氟氯乙烯)三元共聚物和鋰鹽加入到溶劑中，混合均勻得到混合溶液，將混合溶液烘干得到固態聚合物電解質膜。其中，所述聚(偏氟乙烯?三氟乙烯?氟氯乙烯)三元共聚物中三氟乙烯的摩爾含量為25.4％～29.4％，氟氯乙烯的摩爾含量為6～10％。該制備方法以聚(偏氟乙烯?三氟乙烯?氟氯乙烯)三元共聚物為聚合物基體，并結合控制其中各單體的摩爾含量，制備得到具有高離子電導率、鋰離子遷移數的固態聚合物電解質膜。本申請還提供了一種用上述方法制備的固態聚合物電解質膜及包含所述固態聚合物電解質膜的鋰金屬電池。

技術領域

本申請涉及鋰金屬電池技術領域，尤其涉及一種固態聚合物電解質膜及其制備方法與鋰金屬電池。

背景技術

固態聚合物電解質(SPE)由于其良好的靈活性、易加工性以及與剛性電極的緊密接觸而被認為是固態金屬鋰電池(LMBs)的最佳選擇。然而，大多數SPE在25℃時只呈現出較低的離子電導率和鋰離子轉移數，這使得基于SPE的LMBs特別是在高充電速度下的循環性能較差。最近，美國先進電池聯盟(USABC)提出了一個“極端快速充電”的目標，即在15分鐘內(以4C的速度)獲得40％的充電狀態，這就進一步限制了SPE的實際應用。

現有技術中，為提高SPE的離子電導率和鋰離子轉移數，研究人員通常致力于增加SPE的無定形相，因為結晶聚合物-鹽復合物被認為是離子絕緣體。然而，關于晶體中的離子傳導的研究僅限于以特定類型的鋰鹽在特定濃度下的聚氧化乙烯基晶體SPE。對于具有高電化學窗口、高機械性能和優良熱穩定性的聚偏氟乙烯(PVDF)基SPE來說，晶體相中的離子傳輸鮮少有研究報道。

發明內容

為了解決現有技術存在的不足，本申請的目的在于從改善聚偏氟乙烯基SPE晶體中離子傳輸角度出發，在分子鏈中引入了三氟乙烯和氟氯乙烯兩種缺陷，提供一種以聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)三元共聚物為聚合物基體的制備方法，制備得到具有高離子電導率、鋰離子遷移數的固態聚合物電解質膜。基于所述固態聚合物電解質膜制備的鋰金屬電池在高倍率充放電條件下具有高放電比容量以及優異的循環穩定性。

另外，本申請還提供一種上述固態聚合物電解質膜以及包含該固態聚合物電解質膜的鋰金屬電池。

為實現上述目的，本申請提供了一種固態聚合物電解質膜的制備方法，包括以下步驟：

將聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)三元共聚物和鋰鹽加入到溶劑中，混合均勻得到混合溶液；

將混合溶液烘干得到所述固態聚合物電解質膜；

其中，所述聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)三元共聚物中三氟乙烯的摩爾含量為25.4％～29.4％，氟氯乙烯的摩爾含量為6～10％。

在一些可能的實現方式中，所述聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)三元共聚物和鋰鹽的質量比為2:1～4。

在一些可能的實現方式中，所述聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)共聚物中三氟乙烯的摩爾含量為26.2％，氟氯乙烯的摩爾含量為9.2％。

在一些可能的實現方式中，所述聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯)三元共聚物的重均相對分子質量為50萬克/摩爾。

在一些可能的實現方式中，所述鋰鹽為雙三氟甲磺酰亞胺鋰或雙氟磺酰亞胺鋰中的至少一種。

在一些可能的實現方式中，所述烘干過程包括鼓風烘干和真空烘干，所述鼓風烘干的溫度為45～65℃，時間為22～30h；

所述真空烘干的溫度為40～65℃，時間為0.5～1h。

在一些可能的實現方式中，所述溶劑為N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或四氫呋喃中的一種。

在一些可能的實現方式中，所述鋰鹽的純度大于99.9％。