聚己内酯基聚合物固态电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种聚己内酯基聚合物固态电解质及其制备方法和应用；本发明专利技术提供的聚己内酯基聚合物固态电解质由混合溶液通过流延法成膜；所述混合溶液包括聚己内酯、壳聚糖、双三氟甲磺酰亚胺锂和溶剂。本发明专利技术通过壳聚糖的加入降低了聚己内酯的结晶度，同时也增加了和锂离子络合的活性位点，因此聚己内酯

【技术实现步骤摘要】
聚己内酯基聚合物固态电解质及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电化学能源
，具体涉及一种聚己内酯基聚合物固态电解质及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，人们对于能源的需求也越来越大，传统化石能源在使用过程中也面临着诸多问题。一方面，化石能源正面临着资源枯竭的问题；另一方面，化石能源在燃烧过程中会产生有害气体和二氧化碳，危害环境的同时也带来了温室效应。
[0003]电能作为一种清洁能源，在使用过程中不会产生任何污染，在大多数场合中都有望取代传统化石能源。因此，寻找一种高效的电能存储装置，即电池，至关重要。电池的出现能够帮助我们更加高效和便捷地利用能源。伴随着绿色能源的不断发展，人类对于储能器件高能量密度的需求也在不断增长。高效、稳定的绿色能源存储和转换是未来科技可持续发展的动力。自上世纪以来铅酸电池、锌锰电池、镍镉电池以及锂离子电池等多种电池形式已经实现了商业化应用。锂离子电池的成功应用促进了便携式摄像机、手机、笔记本电脑以及电动汽车等领域的快速发展，为人们的日常生活带来了很大便利。近年来，锂离子电池相关技术发展迅速，其安全性、能量密度、使用寿命等均得到了提升。然而，锂离子电池的比容量已接近其极限(372mAh g
‑1)。如此低的能量密度已远远不能满足人们对于高能量密度的需求。因此，我们迫切需要更加高效的电极材料以满足新兴的高端储能器件发展的需求。
[0004]以锂金属作为负极材料的锂金属电池，由于其具有最高的理论比容量3860 mAh g
‑1和最低的电化学电位(
‑
3.040V vs标准氢电极)，吸引了广大的研究兴趣。但锂金属电池的商业化依然充满了挑战(CHEN R,LI Q,YU X,et al. Approaching Practically Accessible Solid
‑
State Batteries:Stability Issues Related toSolid Electrolytes and Interfaces[J].Chem Rev,2020,120(14):6820
‑
77)，因为
ⅰ
) 锂金属与有机溶剂会发生严重的副反应，进而产生机械性能较差的固体电解质界面(SEI)，在重复的循环过程中液体电解质被不断消耗以修复SEI，导致电池的库仑效率(CE)下降和容量损失；
ⅱ
)锂离子在液态电解质中的迁移数较低，导致极化严重，进而使得锂离子沉积不均匀，形成锂枝晶；
ⅲ
)有机溶剂不耐高压、易挥发、易燃、有毒，当电池短路时会起火，对人体及生态环境都会产生极大的安全隐患。
[0005]近年来，涌现出了大量关于优化锂金属电池体系的研究工作，其中使用聚合物固态电解质代替传统的液体电解质是非常重要的研究方向。聚合物固态电解质具有优异的柔韧性和良好的机械性能。与此同时，由于其不含有任何有机溶剂，使得相应的锂金属电池几乎没有副反应，从而表现出出色的安全性和长循环稳定性。传统的聚合物电解质主要包括聚环氧乙烷(polyethylene oxide, PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚丙烯腈 (polyacrylonitrile,PAN)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride,PVDF)以及聚 (偏氟乙烯
‑
co
‑
六氟丙烯)(Poly
‑
vinylidene fluoride
‑
co
‑
hexafluoropropylene, PVDF
‑
HFP)。然而，这些聚合物往往具有较高的玻璃化转变温度，限
制了室温下聚合物链段的运动；另一方面，传统聚合物在添加了锂盐等添加剂之后往往会降低其机械性能，使得聚合物固态电解质在锂金属电池的实际应用中容易产生破裂。聚己内酯(polycaprolactone,PCL)具有非常低的玻璃化转变温度(
‑
65℃)，因此其链段在室温下可自由移动；同时，聚己内酯具有非常好的拉伸性能，可拉伸至其原长度的200
‑
300％而不发生破裂。因此，聚己内酯有望替代传统的聚合物材料，用作聚合物固态电解质。然而，在之前的相关文献报道中，聚己内酯基聚合物固态电解质在室温下具有较低的离子电导率(AZIZ S B.Li+ionconduction mechanism in poly(ε
‑
caprolactone)
‑
based polymer electrolyte[J].IranianPolymer Journal,2013,22(12):877
‑
83.)；而且固态电解质由于与极片之间的固/ 固接触导致较大的界面电阻——这也是聚合物固态电解质共同存在的问题。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术提供了一种具有高化学稳定性、高室温离子电导率(最高可达7.96
×
10
‑4S/cm)、制备方法简单、易于工业化等优点的聚己内酯基聚合物固态电解质，旨在提高锂金属电池的安全性、电化学稳定性、界面接触性以及循环稳定性，并且能够有效保证金属锂的均匀沉积并抑制金属锂枝晶的形成。
[0007]本专利技术首次通过利用壳聚糖对聚己内酯进行改性，在此基础上加入锂盐，成功制备出了一种具有优异的机械性能、室温下快离子传导、抑制锂枝晶产生等特点的聚己内酯基聚合物固态电解质。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种聚己内酯基聚合物固态电解质，由混合溶液通过流延法成膜；所述混合溶液包括聚己内酯、壳聚糖、双三氟甲磺酰亚胺锂和溶剂。
[0010]优选的，所述聚己内酯的数均分子量为65000～80000；所述壳聚糖脱乙酰度为≥90％，粘度为100～200mpa.s。
[0011]进一步优选的，所述聚己内酯的数均分子量为80000；所述壳聚糖脱乙酰度为90％。
[0012]优选的，所述聚己内酯和壳聚糖的质量比为1.5～9:1；所述聚己内酯和壳聚糖的总质量与双三氟甲磺酰亚胺锂的质量比为0.67～9:1。
[0013]进一步优选的，所述聚己内酯和壳聚糖的质量比为3:2；所述聚己内酯和壳聚糖的总质量与双三氟甲磺酰亚胺锂的质量比为1:1。
[0014]优选的，所述聚己内酯基聚合物固态电解质的厚度为50
±
10μm。
[0015]进一步优选的，所述聚己内酯基聚合物固态电解质的厚度为44μm。
[0016]上述的聚己内酯基聚合物固态电解质的制备方法，包括以下步骤：
[0017](1)将聚己内酯溶于有机溶剂1，搅拌处理，得到溶液1；
[0018](2)将壳聚糖和双三氟甲磺酰亚胺锂溶于有机溶剂2，搅拌处理，得到溶液2；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚己内酯基聚合物固态电解质，其特征在于，由混合溶液通过流延法成膜；所述混合溶液包括聚己内酯、壳聚糖、双三氟甲磺酰亚胺锂和溶剂。2.根据权利要求1所述的聚己内酯基聚合物固态电解质，其特征在于，所述聚己内酯的数均分子量为65000～80000；所述壳聚糖脱乙酰度为≥90％，粘度为100～200mpa.s。3.根据权利要求1所述的聚己内酯基聚合物固态电解质，其特征在于，所述聚己内酯和壳聚糖的质量比为1.5～9:1；所述聚己内酯和壳聚糖的总质量与双三氟甲磺酰亚胺锂的质量比为0.67～9:1。4.根据权利要求1所述的聚己内酯基聚合物固态电解质，其特征在于，所述聚己内酯基聚合物固态电解质的厚度为50
±
10μm。5.权利要求1
‑
4任一项所述的聚己内酯基聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将聚己内酯溶于有机溶剂1，搅拌处理，得到溶液1；(2)将壳聚糖和双三氟甲磺酰亚胺锂溶于有机溶剂2，搅拌处理，得到溶液2；(3)将步骤(1)得到的溶液1与步骤(2)得到的溶液2进行混合，搅拌处理，得到溶液3；(4)将溶液3涂布到玻璃板上，干燥处理；(5)在步骤(4)得到的聚合物薄膜上，滴入电解液，得到聚己内酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔志明，周林勇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：