锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法技术

本发明专利技术为一种锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法。首先将制备的磺酸基芳香液晶相聚合物水溶液与离子液体溶液相混合，在水浴中加热搅拌，得到聚合物离子液体混合溶液；将混合溶液均匀铺附于聚四氟乙烯模具并置于烘箱内干燥成膜，再在真空烘箱内干燥除去溶剂，得到PBDT(x)

【技术实现步骤摘要】
锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法


[0001]本专利技术属于全固态锂电池制造
，具体涉及一种锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]能源是社会可持续发展的永恒动力，在目前人类熟知的能量转换和存储系统中，电池是最方便并且可以高效地存储和利用能量的设备之一。随着高科技和先进制造业的快速发展，人们对储能的需求持续高涨，未来的二次电池也必将致力于以持续提高能量密度的同时保障电池体系的安全性为出发点和核心目标。
[0003]可充电金属锂电池由于其极低的电化学电位和极高的比容量而受到广泛关注。锂金属电池中固态电解质的成功开发不仅可以潜在地抑制锂负极的枝晶生长和界面副反应，而且还能够消除液体电解质的泄漏和燃烧。在各种固态电解质中，聚合物固态电解质因其高柔韧性、重量轻、成本低、易于扩展而特别适合制造全固态锂电池。然而，目前最先进的聚合物固态电解质在全固态锂电池的常温操作中仍面临着几个尚未解决的挑战，包括不足的室温离子电导率、较大的界面阻抗和枝晶诱发的潜在安全问题。
[0004]由聚合物与锂盐共混所制备的固态聚合物电解质由于室温下缓慢的分子链段运动导致较低的锂离子电导率（10
‑8~10
‑
6 S
·
cm
‑1）。目前常通过锂离子导体型无机纳米颗粒与聚合物共混来提升全固态聚合物电解质的离子电导率，但是过量的填料含量会导致不可避免的团聚，从而破坏电解质内部的锂离子通道；除此之外，高介电常数有机增塑剂的引入可促进锂盐的解离，是提升全固态聚合物电解质的又一有效策略，但大量有机溶剂的使用不仅大大降低了聚合物电解质膜的机械强度，且热稳定性差，依旧存在热失控下易燃易爆的安全隐患。
[0005]Wang等人（Nature Materials 20.9 (2021): 1255
‑
1263）于2021年报道了一种新型的向列型液晶聚合物与离子液体和浓缩锂盐相结合的离子液体基聚合物复合电解质，在没有添加任何的易挥发性有机增塑剂的前提下，通过异质掺杂构建了与陶瓷类无机固态电解质类似导电机理的锂离子导体纳米锂盐晶粒，实现了25℃下 > 1.0
×
10
‑
3 S
·
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‑1的超高离子电导率，为固态电解质的发展提供了新的思路。但是，小截面积的离子液体凝胶的制备工艺及厚度不均一的切片限制了离子液体基聚合物固态电解质在锂金属软包电池中的应用及工业化进程。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法。为此，本专利技术利用溶剂挥发诱导相分离的成膜法制备离子液体聚合物凝胶薄膜，然后通过离子交换原位合成离子液体基聚合物固态电解质，此外，通过调节离子液体的种类、离子液体与聚合物的比例进一步提升了锂金属电池的
电化学性能。本专利技术制备的离子液体基聚合物固态电解质的主要组成部分，包括聚合物、离子液体和锂盐。
[0007]本专利技术提出的锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法，具体步骤如下：（1） 将聚合物和离子液体分别分散于相应的等量溶剂中，即溶解聚合物和离子液体的溶剂量相等，在45
‑
55℃水浴中加热，并磁力搅拌30min
‑
60min，至分散均匀，得到聚合物溶液和离子液体溶液；（2）趁热迅速将步骤（1）中制备得到的聚合物溶液与凝胶薄膜制备所用离子液体溶液混合，并继续45
‑
55℃水浴中加热，并磁力搅拌30min
‑
60min，得到均一的混合溶液；（3）将步骤（2）制备的混合溶液均匀铺附于聚四氟乙烯模具中，在50
‑
60℃烘箱内干燥24
‑
36h成膜，得到凝胶薄膜PBDT(x)
‑
IL，其中x代表步骤（1）中聚合物的重量百分比；（4）将步骤（3）制备得到的凝胶薄膜PBDT(x)
‑
IL在80
‑
100℃真空烘箱中干燥24
‑
48h至完全去除溶剂；（5）将步骤（4）充分干燥后的凝胶薄膜浸泡在锂盐的离子液体溶液中，并进行离子置换24
‑
48h，然后用无尘纸拭去凝胶薄膜PBDT(x)
‑
IL表面的锂盐的离子液体溶液，得到离子液体基聚合物固态电解质Li
‑
PBDT(x)
‑
IL。
[0008]本专利技术中，步骤（1）所述聚合物为聚2,2
‑
二磺酰基
‑
4,4
‑
联苯胺对苯二甲酰胺（PBDT），其合成方法可参阅文献：Sarkar, N., and L. D. Kershner. "Rigid rod water
‐
soluble polymers." Journal of applied polymer science 62.2 (1996): 393
‑
408。
[0009]本专利技术中，步骤（1）所述凝胶薄膜制备所用的离子液体为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑三氟甲磺酸盐（C2mimTfO）、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双（氟磺酰）亚胺盐（C2mimFSI）或1
‑
甲基
‑1‑
丙基吡咯烷鎓双(氟磺酰)亚胺（C3mpyrFSI）中的至少一种。
[0010]本专利技术中，步骤 (1) 中所述溶剂为水或N,N
‑
二甲基甲酰胺（DMF）。
[0011]本专利技术中，步骤 (1) 中聚合物水溶液和离子液体溶液的溶剂质量相等，同时离子液体溶液中离子液体和溶剂（水或者DMF）的质量比为1:10。
[0012]本专利技术中，步骤 (2) 中凝胶薄膜制备时，按质量百分比，所述聚合物加入量为3wt%
‑
20wt%。
[0013]本专利技术中，步骤 (3) 可在无磁场、含竖直磁场或含水平磁场的烘箱内干燥成膜。
[0014]本专利技术中，通过调节聚合物与凝胶薄膜制备所用离子液体的总质量调整膜的厚度，步骤（3）制备的凝胶薄膜PBDT(x)
‑
IL厚度为100μm时，具有均衡的机械刚度和电化学性能。
[0015]本专利技术中，步骤 (5) 中所述锂盐为双氟磺酰亚胺锂盐（LiFSI）。
[0016]本专利技术中，步骤 (5) 中所述溶解锂盐所用离子液体为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双（氟磺酰）亚胺盐或1
‑
甲基
‑1‑
丙基吡咯烷鎓双(氟磺酰)亚胺中的至少一种。
[0017]本专利技术中，步骤 (5) 中所述锂盐与溶解锂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤如下：(1) 将聚合物和离子液体分别分散于相应的等量溶剂中，即溶解聚合物和离子液体的溶剂质量相等，在45
‑
55℃水浴中加热，并磁力搅拌30min
‑
60min，至分散均匀，得到聚合物溶液和离子液体溶液；(2) 趁热迅速将步骤 (1) 中制备得到的聚合物溶液与凝胶薄膜制备所用离子液体溶液混合，并继续45
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55℃水浴中加热，并磁力搅拌30min
‑
60min，得到均一的混合溶液；(3) 将步骤 (2) 制备的混合溶液均匀铺附于聚四氟乙烯模具中，在50
‑
60℃烘箱内干燥24
‑
36h成膜，得到凝胶薄膜PBDT(x)
‑
IL，其中x代表步骤（1）中聚合物的重量百分比；(4) 将步骤 (3) 制备得到的凝胶薄膜PBDT(x)
‑
IL在80
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100℃真空烘箱中干燥24
‑
48h至完全去除溶剂；(5) 将步骤 (4) 充分干燥后的凝胶薄膜浸泡在锂盐的离子液体溶液中，并进行离子置换24
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48h，然后用无尘纸拭去凝胶薄膜PBDT(x)
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IL表面的锂盐的离子液体溶液，得到离子液体基聚合物固态电解质Li
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xPBDT(x)
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IL。2.根据权利要求1所述的一种锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法，其特征在于步骤（1）所述聚合物为聚2,2
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二磺酰基
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4,4
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联苯胺对苯二甲酰胺。3.根据权利要求1所述的一种锂金属电池中高离子电导率低界面电阻的柔性离子液体基聚合物固态电解质薄膜的制备方法，其特征在于步骤（1）所述凝胶薄膜制备所用的离子液体为1
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乙基
‑3‑
甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1
‑
乙基
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【专利技术属性】
技术研发人员：汪莹，李凯，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：