一种全固态聚合物电解质、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种全固态聚合物电解质、其制备方法及应用，属于锂离子电池领域，全固态聚合物电解质包括聚环氧乙烷、锂盐、无机纳米颗粒和离子液体，且所述锂盐与所述聚环氧乙烷质量之比为0.1～0.5，无机纳米颗粒的和离子液体的质量之和为所述全固态聚合物电解质质量的10％～30％；所述锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂，四氟硼酸锂，高氯酸锂，六氟磷酸锂，六氟砷酸锂，三氟甲基磺酸锂以及二草酸硼酸锂的一种或者多种；无机纳米颗粒包括纳米氧化铝，纳米氧化硅，纳米氧化锆以及纳米钛酸钡中一种或者多种。本发明专利技术中全固态聚合物电解质具有较好的机械强度和较高的离子电导率。本发明专利技术方法工艺简单，成本低廉，原材料易获取。

【技术实现步骤摘要】
一种全固态聚合物电解质、其制备方法及应用
本专利技术属于锂离子电池电解质材料的制备领域，更具体地，涉及一种全固态聚合物电解质、其制备方法及应用。
技术介绍
当前，锂离子电池对人们日常生活以及国民经济产生了巨大影响，其应用于手机、电脑等电子产品、汽车动力装置以及可再生能源发电站等方面。电池的性能很大程度上取决于材料的发展，在锂离子电池中，关键的材料部件包括正极、负极和电解质，其中电解质材料是影响电池安全稳定性的重要因素。目前，广泛应用的液态电解质易腐蚀正、负极，从而造成电池容量不可逆损失。同时放热反应产生的热量也会使液态电解质分解，从而产生可燃气体，并引起火灾和爆炸等严重安全问题。采用固态电解质可以避开液体电解质的这些弊端，而且其形状可任意剪裁和变化，使得电池设计更容易，质地更轻巧，另外，固态电解质良好的机械强度也使电池具有更好的安全性和持久性。有机聚合物电解质由于其较低的弹性模量更适合用在多形态的电池中，其制备过程简单且成本低廉，从而倍受关注。有机聚合物电解质又可进一步分为全固态聚合物电解质和凝胶聚合物电解质。凝胶聚合物电解质一般是直接将溶剂和液态电解质进行混合生成凝胶态，或将聚合物制成微孔薄膜后浸置在液态电解质中吸液，实质上还是液态电解质在导通，虽然离子导电率性能达到商用电池需求，但是这种电解质的机械性能较差，且未有效解决锂负极枝晶问题，实际上是液态电解质到固态电解质的过渡产品。相对而言，全固态聚合物电解质具有良好的机械性能，且能有效抑制锂负极枝晶的产生，因此成为当前研究的重点。聚环氧乙烷(polyethyleneoxide,简称PEO)是目前公认的最适合制备全固态电解质的基体。聚环氧乙烷可与碱金属的钠盐或钾盐形成配位的络合体，该络合体具有一定的电导率。目前，PEO基聚合物电解质面临的主要问题是：室温下的电导率还比较低，大约为10-6Scm-1，与传统的液体电解质大约10-3Scm-1尚有比较大的差距。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种全固态聚合物电解质、其制备方法及应用，其目的在于提供一种室温电导率较高且机械强度较好的全固态的PEO基聚合物电解质，采用简单的生产工艺制备，其可作为电解质应用在锂离子电池中。由此解决全固态的PEO基聚合物电解质室温电导率低，不能应用在锂离子电池的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种全固态聚合物电解质，其特征在于，包括聚环氧乙烷、锂盐、无机纳米颗粒和离子液体，所述锂盐质量与所述聚环氧乙烷质量之比为0.1～0.5，无机纳米颗粒质量和离子液体质量之和为所述全固态聚合物电解质质量的10％～30％；其中，所述锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂，四氟硼酸锂，高氯酸锂，六氟磷酸锂，六氟砷酸锂，三氟甲基磺酸锂以及二草酸硼酸锂中的一种或者多种；所述无机纳米颗粒包括纳米氧化铝，纳米氧化硅，纳米氧化锆以及纳米钛酸钡中一种或者多种。进一步的，所述无机纳米颗粒的粒径为10nm～100nm。进一步的，所述全固态聚合物电解质的厚度为100μm～300μm。按照本专利技术的另一方面，还提供一种制备如上所述全固态聚合物电解质的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：先将锂盐与有机溶剂混合，接着加入无机纳米颗粒和离子液体，然后搅拌均匀，最后加入聚环氧乙烷粉末，并搅拌直到得到白色溶胶；所述有机溶剂质量与所述聚环氧乙烷质量之比为15～25，该比例可以保证后续的干燥性能以及得到预定厚度的全固态聚合物电解质；S2：将步骤S1获得的所述白色溶胶置于培养皿中，在保护气氛环境中自然干燥，获得固体薄膜；S3：对步骤S2获得的所述固体薄膜进行真空干燥，所述真空干燥温度为60～80℃，所述真空干燥时间为12h～48h，即获得全固态聚合物电解质。进一步的，步骤S1中所述离子液体为1-丁基-1-甲基吡咯烷双三氟甲基磺酰亚胺。离子液体也液态，但是其不易挥发，即便是长时间烘烤，其仍然不会挥发。进一步的，步骤S1中所述聚环氧乙烷分子量为10万～100万。这样范围的分子量，可以保证制备得到的全固态聚合物电解质的强度和工艺性能。进一步的，步骤S1中所述有机溶剂包括乙腈，丙酮或四氢呋喃中的一种或者多种。有机溶剂用于溶解并分散锂盐、无机纳米颗粒、聚环氧乙烷粉末等，该有机溶剂被一定温度烘烤时，会全部挥发掉。进一步的，步骤S1中所述搅拌采用磁力搅拌或超声波搅拌，且搅拌时间为30min～60min，该搅拌时间内可较好的使各种成分均匀分散。进一步的，步骤S2中所述培养皿为聚四氟乙烯培养皿，只有采用聚四氟乙烯培养皿才能保证轻易剥离全固态聚合物电解质，而不会造成剥离全固态聚合物电解质时造成材料的损坏。按照本专利技术的第三个方面，还提供一种锂离子电池，其特征在于，其包括如上所述全固态聚合物电解质。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果：1、为提高PEO基固态电解质电导率，加入无机纳米颗粒和离子液体，添加纳米无机颗粒可以提高机械性能，添加室温离子液体则使电导率提高，通过两者的联合作用使本专利技术中全固态聚合物电解质具有较好的机械强度和较高的离子电导率；2、无机纳米颗粒的添加能够降低PEO的结晶率，使PEO处于非晶状态，有利导电锂离子的通过，从而还有助于进一步提高电导率。3、本专利技术制备方法工艺简单，原材料易获取，成本低廉，使得PEO基固态聚合物电解质大规模应用在锂离子电池产业成为可能。附图说明图1为对比例1、对比例2、实施例1、实施例2的电化学阻抗谱EIS图；图2为本专利技术实施例1制备的全固态聚合物电解质的X射线衍射图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施例1：本实施例用于制备厚度为100μm的全固态聚合物电解质，其成分包括：分子量为60万的聚环氧乙烷、三氟甲烷磺酰亚胺锂、粒径为10nm的钛酸钡，离子液体1-丁基-1-甲基吡咯烷双三氟甲基磺酰亚胺。其中，锂盐与聚环氧乙烷质量之比为0.36，无机纳米颗粒和离子液体质量之和为全固态聚合物电解质质量的10％。离子液体为液态，其微量存在与全固态聚合物电解质中，并且离子液体不易挥发。其制备方法如下：S1：先将三氟甲烷磺酰亚胺锂与有机溶剂乙腈混合，接着加入粒径为10nm的钛酸钡和离子液体1-丁基-1-甲基吡咯烷双三氟甲基磺酰亚胺，然后磁力搅拌60min，最后加入分子量为60万的聚环氧乙烷粉末，并进一步搅拌直到得到白色溶胶。以上各种物质均加入到锥形瓶中进行搅拌。其中，聚环氧乙烷粉末的质量2.05g，三氟甲烷磺酰亚胺锂的质量为0.74g，有机溶剂质量为41g，有机溶剂质量与聚环氧乙烷质量之比为20。钛酸钡的质量为0.15g，离子液体的质量为0.16g，两者质量之和为0.31g。锂盐质量与聚环氧乙烷质量之比为0.36。S2：将步骤S1获得的白色溶胶置于聚四氟乙烯培养皿，在高纯Ar气的保护气氛环境中自然干燥，获得固体薄膜。采用聚四氟乙烯培养皿时，获得的固体薄膜容易脱离。S3：对所述步骤S2中获得固体薄膜进行真空干燥，真空干燥箱为上海齐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全固态聚合物电解质，其特征在于，包括聚环氧乙烷、锂盐、无机纳米颗粒和离子液体，所述锂盐质量与所述聚环氧乙烷质量之比为0.1～0.5，无机纳米颗粒质量和离子液体质量之和为所述全固态聚合物电解质质量的10％～30％；其中，所述锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂，四氟硼酸锂，高氯酸锂，六氟磷酸锂，六氟砷酸锂，三氟甲基磺酸锂以及二草酸硼酸锂中的一种或者多种；所述无机纳米颗粒包括纳米氧化铝，纳米氧化硅，纳米氧化锆以及纳米钛酸钡中一种或者多种。

【技术特征摘要】
1.一种制备全固态聚合物电解质的方法，所述全固态聚合物电解质包括聚环氧乙烷、锂盐、无机纳米颗粒和离子液体，所述锂盐质量与所述聚环氧乙烷质量之比为0.1～0.5，无机纳米颗粒质量和离子液体质量之和为所述全固态聚合物电解质质量的10％～30％；其中，所述锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂，四氟硼酸锂，高氯酸锂，六氟磷酸锂，六氟砷酸锂，三氟甲基磺酸锂以及二草酸硼酸锂中的一种或者多种；所述无机纳米颗粒包为纳米钛酸钡，所述无机纳米颗粒的粒径为10nm～100nm，其特征在于，包括如下步骤：S1：先将锂盐与有机溶剂混合，接着加入纳米钛酸钡和离子液体，然后搅拌均匀，最后加入聚环氧乙烷粉末，并搅拌直到得到白色溶胶；所述有机溶剂质量与所述聚环氧乙烷质量之比为15～25；S2：将步骤S1获得的所述白色溶胶置于培...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱文，赵旭东，崇保和，
申请(专利权)人：深圳华中科技大学研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44