一种复合聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种复合聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用，其解决了现有材料存在的性能单一、机械性能差的技术问题，其由聚磷酸铵改性聚丙烯腈电解质层和碳纳米管/聚丙烯酸层组成。本发明专利技术同时提供了其制备方法和应用。本发明专利技术可用于电池电解质的制备领域。

Composite polymer gel electrolyte and preparation method and application thereof

【技术实现步骤摘要】
一种复合聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用
本专利技术属于电池材料领域，尤其涉及一种复合聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用。
技术介绍
当前，大多数锂硫电池存在如下缺点：一、锂硫电池具有高的比容量和比能密度，在充放电过程中生成多硫化物形成穿梭效应，造成电池能量衰减；二、可燃物硫和所用的聚合物电解质膜引发安全隐患，所使用的电解液主要为有机电解液容易燃烧，同时有机电解液的锂硫电池在使用时容易从电池中泄露，存在不安全隐患；三、负极在反应过程中形成不均匀沉积，容易形成锂枝晶，刺破隔膜引发短路等一系列安全问题，同样限制了其发展与应用。为了改善这些缺点，可以通过添加功能层和添加剂来提高电池性能。液体电解质虽然导电性能好，但是容易发生泄露，存在安全隐患，而全固态聚合物电解质虽然不存在电解液的泄露，安全性提高，但是其室温离电导率较低，难满足实际应用需求。凝胶聚合物电解质的形态介于液体电解质及全固态电解质之间，既缓解了液体电解质易泄露的安全隐患，又为离子的传输提供了类似液体电解质的液体环境，可大大提高电解质的离子电导率，因而在锂硫电池中有很好的发展及应用前景。然而目前的技术手段，基本都是单纯通过加入其他填料或者添加剂或者引入功能层获得电解质膜，性能比较单一，同时机械性能较差，不适宜直接应用于电池。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决现有材料存在的性能单一、机械性能差的技术问题，提供一种具有多种功能、机械性能较好的复合聚合物凝胶电解质及其制备方法和应用。为此，本专利技术提供一种复合聚合物凝胶电解质，其由APAN(聚磷酸铵改性聚丙烯腈)电解质层和CNTs/PAA(碳纳米管/聚丙烯酸)层组成。优选的，所述复合聚合物凝胶电解质总厚度不超过500μm。本专利技术同时提供一种复合聚合物凝胶电解质的制备方法，其包括如下步骤：(1)称取聚丙烯腈溶解在氮氮二甲基甲酰胺中，溶解温度50℃～70℃，溶解时间3h～10h；随后加入聚磷酸铵，搅拌得到均匀纺丝溶液；经静电纺丝，经真空环境干燥，得到APAN电解质薄膜；(2)将PAA(聚丙烯酸)室温溶解在乙醇中，经搅拌溶解2h～5h得到均匀溶液，将CNTs(碳纳米管)超声分散在上述均匀溶液中，分散时间2h～8h，得到CNTs均匀分散的溶液；(3)裁剪所述步骤(1)中所得APAN电解质薄膜，使其可以完整且均匀覆盖在真空抽滤装置接口处，将所述步骤(2)所得溶液倒入真空抽滤装置，进行抽滤，待所有液体抽干后，取出所得到的功能化聚合物复合电解质膜，经真空干燥后，得到多功能复合聚合物凝胶电解质。优选的，步骤(1)中聚丙烯腈占纺丝溶液的质量百分比浓度为10wt％～20wt％。优选的，步骤(1)所述聚磷酸铵聚合度n为50～1000。优选的，步骤(1)中，聚磷酸铵占纺丝溶液的质量百分比浓度为10wt％～20wt％。优选的，步骤(1)中，静电纺丝工作电压为15kV～18kV，注纺速度为0.8ml/h～1.2ml/h，采用辊筒或铝板接受纺丝薄膜。优选的，步骤(2)中，PAA(聚丙烯酸)占均匀分散溶液的质量百分比浓度为0.1wt％～0.5wt％，CNTs(碳纳米管)占均匀分散溶液浓度0.1wt％～0.5wt％。本专利技术同时提供一种复合聚合物凝胶电解质在锂硫电池中的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术的多功能复合聚合物凝胶电解质可以实现多种功能的集成，既能通过添加聚磷酸铵提高电池安全稳定性，保证一定的高温性能，又能通过聚磷酸铵含有的官能团抑制多硫化物。同时通过添加功能层，碳纳米管功能层增加了电池的导电网络使得电池的初始比容量得到提高，又增加了物理位点进一步抑制穿梭效应。(2)本专利技术的多功能复合聚合物凝胶电解质，减少了电解液泄漏的隐患，所添加的CNTs/PAA功能层结构，可以在锂硫电池中充当隔层使用，无需另外放置电池隔膜，同时起到了电解质和隔膜的双重作用，添加的CNTs功能层起到了隔层的物理阻隔作用，用一种电解质充当电池内部多种结构，可以显著的降低生产成本。(3)本专利技术的多功能复合聚合物凝胶电解质制备方法简单，易于成型。附图说明图1为本专利技术实施例1制备得到的APAN电解质膜的SEM照片。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实验例对本文专利技术做更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。实施例1制备10wt％PAN/20wt％APP功能化聚合物凝胶电解质：称取1gPAN粉末50℃加热溶解在10mlDMF中，加热搅拌3h。称取2.61g的APP(聚合度n＝1000)溶解到上述溶液，得到均匀纺丝溶液。将上步所得纺丝液注入20ml注射器，纺丝电压为18kV，注射速度为1.2ml/h，辊筒接收纺丝薄膜。将制备好的APAN电解质膜放入真空烘箱干燥后得到APAN电解质薄膜。制备0.5wt％CNTs/0.5wt％PAA功能层的方法：称取0.02gPAA，室温下搅拌5h溶解于5ml乙醇，称取0.02gCNTs，超声分散在PAA溶液中，超声分散8h得到均匀分散溶液，裁剪APAN电解质薄膜，使其可以完整且均匀覆盖在真空抽滤装置接口处，CNTs/PAA溶液倒入真空抽滤装置，进行抽滤，待所有液体抽干后，拆卸装置，取出所得到的复合两层功能层的电解质膜，真空条件下干燥后，得到本专利技术制备的多功能复合聚合物凝胶电解质。所得的多功能复合聚合物凝胶电解质薄膜，厚度为500μm。干燥后的多功能复合聚合物凝胶电解质，其中CNTs/PAA功能层靠近正极材料的一侧。将所得到的电解质裁剪成直径为19mm的圆片。电池组装：将制备的多功能复合凝胶聚合物电解质和纯硫正极在充满Ar的手套箱中组装成纽扣电池，其中正极为纯硫正极，负极Li片，电解液为1.0MLITFSI溶解在体积比为1:1DME和DOL混合溶剂中(LITFSI为双三氟甲烷磺酰亚胺锂，DME为乙二醇二甲醚，DOL为1,3-二氧戊环)，并且添加少量LiNO3电解液添加剂。随后在蓝电测试系统上测试电池性能，在0.2C电流密度，初始容量达1250mhA·g-1，循环100圈后容量保持率在60％以上。实施例2制备15wt％PAN/15wt％APP功能化聚合物凝胶电解质：称取1.63gPAN粉末60℃加热溶解在10mlDMF中，加热搅拌溶液5h。称取1.67g的APP(聚合物n＝500)溶解到上述溶液，得到均匀纺丝溶液。将上步所得纺丝液注入20ml注射器，纺丝电压为16kV，注射速度为1.0ml/h，辊筒接收纺丝薄膜。将制备好的APAN电解质膜放入真空烘箱干燥后得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合聚合物凝胶电解质，其特征是，其由聚磷酸铵改性聚丙烯腈电解质层和碳纳米管/聚丙烯酸层组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合聚合物凝胶电解质，其特征是，其由聚磷酸铵改性聚丙烯腈电解质层和碳纳米管/聚丙烯酸层组成。


2.根据权利要求1所述的复合聚合物凝胶电解质，其特征在于所述复合聚合物凝胶电解质总厚度不超过500μm。


3.如权利要求1所述的复合聚合物凝胶电解质的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)称取聚丙烯腈溶解在氮氮二甲基甲酰胺中，溶解温度50℃～70℃，溶解时间3h～10h；随后加入聚磷酸铵，搅拌得到均匀纺丝溶液；经静电纺丝，经真空环境干燥，得到APAN电解质薄膜；
(2)将聚丙烯酸室温溶解在乙醇中，经搅拌溶解2h～5h得到均匀溶液，将碳纳米管超声分散在上述均匀溶液中，分散时间2h～8h，得到CNTs均匀分散的溶液；
(3)裁剪所述步骤(1)中所得APAN电解质薄膜，使其可以完整且均匀覆盖在真空抽滤装置接口处，将所述步骤(2)所得溶液倒入真空抽滤装置，进行抽滤，待所有液体抽干后，取出所得到的功能化聚合物复合电解质膜，经真空干燥后，得到多功能复合聚合物凝胶电解质。


4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋刚，黄校萱，朱明，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11