一种单离子凝胶聚合物电解质、其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于聚合物电解质技术领域，更具体地，涉及一种单离子凝胶聚合物电解质、其制备和应用。该单离子凝胶聚合物电解质通过原位热引发深共融溶剂中单离子单体的自由基聚合而制备得到，其中深共融溶剂由单离子单体与路易斯碱通过路易斯酸碱相互作用得到。该聚合物电解质应用于锂电池时，由于深共融溶剂的引入，提高了单离子凝胶聚合物电解质的离子电导率；而原位聚合方法改善了电解质与正负极材料的接触性；聚合的单离子网络固定了阴离子，提高了锂离子迁移数，从而抑制锂枝晶的生长，同时减少电池工作时的浓差极化，提升电池的倍率性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种单离子凝胶聚合物电解质、其制备和应用


[0001]本专利技术属于聚合物电解质
，更具体地，涉及一种单离子凝胶聚合物电解质、其制备和应用。

技术介绍

[0002]随着社会发展和科技进步，不可再生化石资源消耗日渐加剧。另一方面，随着人民环境保护意识逐渐增强，保护自然环境、发展可再生资源的呼声不断增加。可再生自然资源如太阳能、风能等由于其受天气、地域等环境影响较大，需要储能设备首先将电能存储整合后才能并入电网。因而方便高效的储能设备就显得十分必要。锂电池由于具有高能量密度、长循环寿命以及高工作电压等优点，已经广泛应用于移动电子设备、新能源汽车以及大型储能设备等方面。
[0003]随着新能源汽车的普及，汽车里程焦虑愈发严重，人们越发渴求能量密度高、充电速度快的锂电池。传统商业电解液虽然具有较好的电化学性能，但是其本征的易挥发易燃等特性限制了其进一步开发应用。全固态聚合物电解质具有较好的安全性和易加工性，但电池工作时存在浓差极化，导致锂离子迁移数较低以及锂枝晶生长。通过化学键将阴离子连接到聚合物主链的单离子聚合物电解质，能使电池体系中只存在锂离子的移动，保证锂离子的稳定和均一传输，有效抑制锂枝晶生长，从而提升电池的安全性。但全固态单离子聚合物电解质存在锂离子电导率较低的缺陷，难以商业化应用。
[0004]专利CN114665149A公开了一种单离子凝胶聚合物电解质材料，该材料首先将单体聚合得到单离子聚合物，进一步通过浇筑法制备了聚合物电解质膜，再通过添加有机溶剂制备得到单离子凝胶聚合物电解质材料；该专利文献引入的有机溶剂增加了单离子电解质材料的离子电导率，但是浇筑过程使用大量有机溶剂，并且还需要后期添加有机溶剂，存在污染环境、有机溶剂挥发等缺陷。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种单离子凝胶聚合物电解质、其制备和应用，该单离子凝胶聚合物电解质通过原位热引发深共融溶剂中单离子单体的自由基聚合制备得到，其中深共融溶剂为由单离子单体与路易斯碱通过路易斯酸碱相互作用得到。该聚合物电解质应用于锂电池时，由于深共融溶剂的引入，提高了单离子凝胶聚合物电解质的离子电导率；而原位聚合方法改善了电解质与正负极材料的接触性；聚合的单离子网络固定了阴离子，提高了锂离子迁移数，从而抑制锂枝晶的生长，同时减少电池工作时的浓差极化，提升电池的倍率性能，同时也解决了现有技术先将单体聚合得到单离子聚合物，进一步通过浇筑法制备聚合物电解质膜时需要后期添加大量有机溶剂，导致污染环境等的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种单离子凝胶聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)以3
‑
磺酸丙基丙烯酸酯金属盐或3
‑
磺酸丙基甲基丙烯酸酯金属盐为原料，先进行磺酰化处理得到磺酰氯粗产物，然后将该粗产物与缚酸剂、胺在有机溶剂条件下反应得到磺酰亚胺盐，最后将该磺酰亚胺盐与含锂的碱溶液反应，得到单离子单体；
[0008](2)将步骤(1)得到的单离子单体和路易斯碱混合搅拌，使之形成均一透明的深共融溶剂；然后将该深共融溶剂与引发剂混合，得到混合前驱体溶液；
[0009](3)将步骤(2)得到的混合前驱体溶液加到隔膜上，使所述混合前驱体溶液浸润所述隔膜，加热引发所述隔膜中浸润的单离子单体发生聚合反应得到单离子凝胶聚合物电解质。
[0010]优选地，步骤(1)所述原料为3
‑
磺酸丙基丙烯酸酯钠盐、3
‑
磺酸丙基丙烯酸酯钾盐、3
‑
磺酸丙基甲基丙烯酸酯钠盐、3
‑
磺酸丙基甲基丙烯酸酯钾盐中一种或多种。
[0011]优选地，步骤(2)所述路易斯碱为环丁砜、N
‑
甲基乙酰胺和N
‑
甲基三氟乙酰胺中的一种或多种；
[0012]所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、4,4'
‑
偶氮双(4
‑
氰基戊酸)和2,2'
‑
偶氮双(4
‑
甲氧基
‑
2,4
‑
二甲基戊腈)中的一种。
[0013]优选地，步骤(3)所述隔膜为纤维素隔膜或聚烯烃隔膜。
[0014]优选地，步骤(1)包括如下子步骤：
[0015](1
‑
1)将3
‑
磺酸丙基丙烯酸酯金属盐或3
‑
磺酸丙基甲基丙烯酸酯金属盐分散到有机溶剂中，以N,N
‑
二甲基甲酰胺作为催化剂，冰浴条件下滴加溶于有机溶剂的磺酰化试剂，冰浴后转为室温反应，反应结束后得到磺酰氯粗产物；
[0016](1
‑
2)将所述磺酰氯粗产物与缚酸剂、胺以及有机溶剂混合，先在冰浴条件下反应，然后转为室温反应，反应结束后得到磺酰亚胺盐；
[0017](1
‑
3)将步骤(1
‑
2)得到的磺酰亚胺盐溶于有机溶剂中，然后在冰浴条件下缓慢加入到含锂的碱溶液中反应，反应结束除去过量的碱和有机溶剂，纯化得到所述单离子单体。
[0018]优选地，所述有机溶剂为二氯甲烷、四氢呋喃、1,4
‑
二氧六环和1,2
‑
二氯乙烷中一种或多种；
[0019]所述磺酰化试剂为二氯亚砜和草酰氯中的一种或多种；
[0020]所述缚酸剂为三乙胺、三甲胺、吡啶、吡咯烷和联吡啶中的一种或多种；
[0021]所述胺为单氰胺、三氟甲基磺酰胺、甲基磺酰胺、三氟甲氧基苯磺酰胺、苯磺酰胺、硝基苯磺酰胺和三氟甲基苯磺酰胺中的一种或多种；
[0022]所述含锂的碱为碳酸锂、氢氧化锂和氢化锂中的一种或多种。
[0023]优选地，步骤(2)所述单离子单体与路易斯碱摩尔比为1：3～1：80；进一步优选为1:5
‑
1:40；更进一步优选为1:10:1:20。
[0024]所述单离子单体与引发剂质量比为100：0.5～100：5。
[0025]优选地，步骤(2)将步骤(1)得到的单离子单体和路易斯碱混合后加热至60
‑
80℃，并搅拌使之形成深共融溶剂；
[0026]步骤(3)所述加热引发所述隔膜中浸润的单离子单体发生聚合反应，所述加热其加热温度为60℃～80℃；所述聚合反应时间为12小时～48小时。
[0027]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的制备方法制备得到的单离子凝胶聚合物电解质。
[0028]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的聚合物电解质的应用，用作锂离子电池的聚合物电解质。
[0029]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0030]1.本专利技术提供的单离子凝胶聚合物电解质的制备方法，由深共融溶剂中单离子单体进一步热引发聚合得到，由单离子单体形成的深共融溶剂既充当聚合反应的溶剂，同时又本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单离子凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)以3
‑
磺酸丙基丙烯酸酯金属盐或3
‑
磺酸丙基甲基丙烯酸酯金属盐为原料，先进行磺酰化处理得到磺酰氯粗产物，然后将该粗产物与缚酸剂、胺在有机溶剂条件下反应得到磺酰亚胺盐，最后将该磺酰亚胺盐与含锂的碱溶液反应，得到单离子单体；(2)将步骤(1)得到的单离子单体和路易斯碱混合搅拌，使之形成均一透明的深共融溶剂；然后将该深共融溶剂与引发剂混合，得到混合前驱体溶液；(3)将步骤(2)得到的混合前驱体溶液加到隔膜上，使所述混合前驱体溶液浸润所述隔膜，加热引发所述隔膜中浸润的单离子单体发生聚合反应得到单离子凝胶聚合物电解质。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述原料为3
‑
磺酸丙基丙烯酸酯钠盐、3
‑
磺酸丙基丙烯酸酯钾盐、3
‑
磺酸丙基甲基丙烯酸酯钠盐、3
‑
磺酸丙基甲基丙烯酸酯钾盐中一种或多种。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述路易斯碱为环丁砜、N
‑
甲基乙酰胺和N
‑
甲基三氟乙酰胺中的一种或多种；所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、4,4'
‑
偶氮双(4
‑
氰基戊酸)和2,2'
‑
偶氮双(4
‑
甲氧基
‑
2,4
‑
二甲基戊腈)中的一种。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述隔膜为纤维素隔膜或聚烯烃隔膜。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括如下子步骤：(1
‑
1)将3
‑
磺酸丙基丙烯酸酯金属盐或3
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛志刚，张永，王计嵘，周兴平，解孝林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：