拓扑结构液晶聚合物电解质及其合成方法与应用技术

本发明专利技术公开了拓扑结构液晶聚合物电解质及其合成方法与应用，其中，该电解质由超支化/星型聚合物和液晶基元构成，具有如下拓扑结构：

Topological liquid crystalline polymer electrolytes and their synthesis methods and Applications

The present invention discloses and applications, the topological structure of liquid crystal polymer electrolyte and its synthesis method wherein the electrolyte by Hyperbranched / star polymer and liquid crystal elements, has the following topological structure:

【技术实现步骤摘要】
拓扑结构液晶聚合物电解质及其合成方法与应用
本专利技术涉及一种聚合物电解质及其合成方法与应用，具体涉及一种拓扑结构液晶聚合物电解质及其合成方法与应用，属于聚合物电解质

技术介绍
近年来，以新兴能源技术为代表的新一轮科技革命和产业革命正在不断发展壮大，新的能源技术成果也在不断涌现。为了满足不同领域的应用要求，各种储能技术，如液流电池、锂硫电池、锂空电池、超级电容器、锂离子电池(LIBs)等均得到了迅猛发展。其中，LIBs由于能量密度高、方便携带等特点受到人们的关注。自1991年，锂离子电池进入市场，此后它在电化学器件、混合动力车、新能源汽车、便携式设备等领域的应用得到了迅猛的发展。目前，人们更期待进一步发展高安全性和柔性以及高效方便的LIBs，如灵活的可穿戴类器件。电解质作为LIBs的重要组成部分，需要具有使用安全、效能高、寿命长、环保等特点。为此，电解质不仅要具有在很宽的温度范围内具有合适的离子电导率，而且要具有良好的化学稳定性以及与电极良好的接触性。众所周知，目前的大部分商业化锂离子电池都是基于有机小分子类电解质同锂盐混合而成，再加上隔膜，再同正负极组合构成。通过不断的优化，目前液态锂离子电池电解质在离子电导率方面已经完全能够满足日常的应用。然而，液体电解质还是存在着易泄露、易燃、易爆炸的安全隐患，也无法满足器件向轻量化、形状任意化等方向发展，从而限制了LIBs的进一步规模化应用。因此，人们迫切需要寻找更安全、更可靠、轻薄且柔性的电解质。基于以上背景，固态聚合物电解质(SPEs)越来越受到了人们的广泛关注，这是因为SPEs具有安全性高、力学性能良好、形状设计灵活性高、可修饰性强等优点。在聚合物的玻璃化转变温度(Tg)以上，聚合物内部存在的自由体积可为锂离子的迁移提供空间，从而为锂离子的有效迁移提供了可能。在1973年，Wright等人(D.E.Fenton，J.M.ParkerandP.V.Wright，Polymer，1973，14，589)发现聚氧化乙烯(PEO)同锂盐复合后具有一定的离子电导率。随后，Armand(M.Armand，SolidStateIonics，1983，9–10(2)，745–754)提出PEO可以作为电化学器件的离子传导材料来使用。此后，基于PEO的具有超薄、超轻、安全性更好等特性的固态聚合物电解质受到科学家的大量关注与研究。然而，经过四十多年的研究，锂离子聚合物电池还远未达到大规模商业化生产的阶段，其原因在于到目前为止，固态聚合物电解质同传统的液态电解质相比，存在离子电导率低、同电极的界面接触电阻大等缺点。正因为如此，如何进一步提高固态聚合物电解质的离子电导率显得迫切而有意义！线性PEO对锂盐有良好的溶解能力，有望作为SPEs来使用。然而，线性PEO作为SPEs的问题在于其室温离子电导率在10-7S/cm左右，离商业化所需离子电导率10-3-10-4S/cm还有很大的距离。其原因是因为PEO的线性有序结构，在室温下非常容易结晶，而结晶部分相当于导电通道中的阻碍物，严重限制了其对离子的传导。通过对文献的调研可以发现，目前SPEs的性能优化主要有两条途径，一是通过共混或化学合成法调控导电离子通道；二是制备星型或超支化结构的聚合物，从而抑制聚合物的结晶。但还未出现关于利用两者协同促进SPEs性能优化的报道。除了利用GO为模板来构建离子通道外，金属有机共价骨架(MOF)和液晶(LC)也受到了人们的关注。这是因为MOF具有纳米级孔道，可以作为离子传输的通道。如A.ManuelStephan课题组(ClaudioGerbaldietal.，J.Mater.Chem.A，2014，2，9948–9954)利用电解法制备MOF，再同PEO、锂盐共混热压成膜制备得到SPEs，通过MOF构建离子通道，能够较有效地改善PEO的电化学性能。同样LC具有取向性，也可以用来构建离子通道。东京大学T.Kato课题组(KenjiKishimotoetal.，J.Am.Chem.Soc.2003，125，3196-3197；KenjiKishimotoetal.，J.Am.Chem.Soc.2005，127，15618-15623)在该领域做了不少具有代表性的工作。他们主要关注的是以聚氧化乙烯链段和液晶基元嵌段接枝形成线性共聚物的方法来制备液晶型SPEs。然而，他们所报道的最优离子电导率只存在于这种线性共聚液晶取向方向上，在垂直于液晶取向方向上离子电导率较低。另外，他们鲜有把材料组装成电池来测试实际的电化学性能，该类SPE能否实际应用仍然是个问题。专利CN102020780A报道了全固态聚合物电解质膜制备方法及所制备的电解质膜，然而，他们是利用含磺酸离子的线性液晶聚合物同PMMA、PEO、锂盐复合得到的。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种具有良好的成膜性，同锂盐复合后所构成的固态聚合物电解质具有良好的离子电导率、优异的电化学性能和倍率性能的拓扑结构液晶聚合物电解质。本专利技术的第二个目的在于提供上述拓扑结构液晶聚合物电解质在柔性锂电池中作为全固态聚合物电解质的应用。为了实现上述第一个目标，本专利技术采用如下的技术方案：拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，由超支化聚合物和液晶基元构成，或者由星型聚合物和液晶基元构成，其中，由超支化聚合物和液晶基元构成的拓扑结构液晶聚合物电解质具有如下拓扑结构：为液晶基元；由星型聚合物和液晶基元构成的拓扑结构液晶聚合物电解质具有如下拓扑结构：为核，为臂，为液晶基元。前述的拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，前述超支化聚合物为：超支化聚醚及其共聚物、超支化聚苯乙烯及其共聚物、超支化聚醚酯及其共聚物、超支化聚(甲基)丙烯酸酯及其共聚物、超支化聚酯及其共聚物、超支化聚酰胺及其共聚物、超支化聚碳酸酯及其共聚物、超支化聚丙烯亚胺及其共聚物、超支化聚磷酸酯及其共聚物、超支化聚磷腈及其共聚物、超支化聚氨酯及其共聚物、超支化聚酰胺及其共聚物或超支化聚硅氧烷及其共聚物。前述的拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，前述星型聚合物中的核为：苯环、稠环芳烃、含氮氧硫杂环、环硅氧烷、环三聚膦腈、超支化聚苯乙烯及其共聚物、超支化聚(甲基)丙烯酸酯及其共聚物、超支化聚醚及其共聚物、超支化聚碳酸酯、超支化聚酰亚胺及其共聚物、超支化聚磷腈及其共聚物、超支化聚磷酸酯及其共聚物、超支化聚丙烯亚胺、超支化聚硅氧烷及其共聚物或超支化聚氨酯及其共聚物；前述星型聚合物中的臂为：溶盐能力较强的柔性链段或由其组成的无规或嵌段共聚物。前述的拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，前述溶盐能力较强的柔性链段为：聚己内酯、聚硅氧烷、聚丙烯亚胺、聚氧化乙烯、聚环氧丙烷、聚甲醛、聚甲氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯、聚二氧戊环、聚膦腈、聚碳酸酯、聚磷酯、1,3-二氧庚环、聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚乙烯基咪唑、聚酰胺或聚(4-乙烯基吡啶)。前述的拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，前述液晶基元为：由稠环或具有下列结构的单体构成的液晶基元：其中，R为酯基、烷氧基、氰基、硝基、氨基、卤素、烷基、苯醚、苯酰氧基或氢原子；R’为-CH＝N-、-N＝N-、-N＝N(O)-、-COO-、-CONH-、-本文档来自技高网...

【技术保护点】
拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，由超支化聚合物和液晶基元构成，或者由星型聚合物和液晶基元构成，其中，由超支化聚合物和液晶基元构成的拓扑结构液晶聚合物电解质具有如下拓扑结构：

【技术特征摘要】
1.拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，由超支化聚合物和液晶基元构成，或者由星型聚合物和液晶基元构成，其中，由超支化聚合物和液晶基元构成的拓扑结构液晶聚合物电解质具有如下拓扑结构：为液晶基元；由星型聚合物和液晶基元构成的拓扑结构液晶聚合物电解质具有如下拓扑结构：为核，为臂，为液晶基元。2.根据权利要求1所述的拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，所述超支化聚合物为：超支化聚醚及其共聚物、超支化聚苯乙烯及其共聚物、超支化聚醚酯及其共聚物、超支化聚(甲基)丙烯酸酯及其共聚物、超支化聚酯及其共聚物、超支化聚酰胺及其共聚物、超支化聚碳酸酯及其共聚物、超支化聚丙烯亚胺及其共聚物、超支化聚磷酸酯及其共聚物、超支化聚磷腈及其共聚物、超支化聚氨酯及其共聚物、超支化聚酰胺及其共聚物或超支化聚硅氧烷及其共聚物。3.根据权利要求1所述的拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，所述星型聚合物中的核为：苯环、稠环芳烃、含氮氧硫杂环、环硅氧烷、环三聚膦腈、超支化聚苯乙烯及其共聚物、超支化聚(甲基)丙烯酸酯及其共聚物、超支化聚醚及其共聚物、超支化聚碳酸酯、超支化聚酰亚胺及其共聚物、超支化聚磷腈及其共聚物、超支化聚磷酸酯及其共聚物、超支化聚丙烯亚胺、超支化聚硅氧烷及其共聚物或超支化聚氨酯及其共聚物；所述星型聚合物中的臂为：溶盐能力较强的柔性链段或由其组成的无规或嵌段共聚物。4.根据权利要求3所述的拓扑结构液晶聚合物电解质，其特征在于，所述溶盐能力较强的柔性链段为：聚己内酯、聚硅氧烷、聚丙烯亚胺、聚氧化乙烯、聚环氧丙烷、聚甲醛、聚甲氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯、聚二氧戊环、聚膦腈、聚碳酸酯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辽云，王师，王蔼廉，刘旭，许浩，周倩，陈杰，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11