锂电池用乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于聚合物电解质领域，具体涉及一种锂电池用乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质膜及其制备方法。先将乙烯基咪唑与磺酸内酯在室温下反应，得到乙烯基咪唑两性离子液体；再将离子液体与双三氟甲烷磺酰亚胺锂混合于甲醇中，得到含有锂源的离子液体，真空干燥后，再按照比例将离子液体与甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯进行紫外光引发，得到乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质膜。本发明专利技术利用两性离子的独特优势以及醚氧结构的存在，实现了聚合物电解质膜0.78的锂离子迁移数和室温下0.11

【技术实现步骤摘要】
锂电池用乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于聚合物电解质领域，涉及一种固态电解质膜，具体涉及一种锂电池用乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着社会的不断发展、人们对能源的需求量变得越来越大，作为传统能源的化石能源，其不可再生性、使用后带来的环境危害等问题使得人们必须寻求新的能源。目前，新的能源主要包括太阳能、风能、潮汐能等。上述能源虽然可以替代不可再生的化石能源，但这些能源都存在着间歇性、地方性等特点，因此需要寻找合适的储能装置将这些能源储存起来，保证能源可以连续不断的使用。
[0003]在众多的储能装置中，电化学电池可以将化学能和电能进行相互转化实现能源的储存和输出。而在电池当中，可充电二次电池中的锂离子电池因高能量密度、高功率密度、长循环寿命、无记忆效应等优点，被广泛的应用在储能设备中。锂离子电池主要由正极、负极、电解质、隔膜四部分组成。电解质作为电池四大核心之一，对电池的各项性能都有着至关重要的影响。而对于传统的电解质来说，一般以有机酯类有机溶剂为主，虽然拥有不错的性能，但其存在着易燃、泄露的风险，进而甚至可能引起电池正负极短路、电池发生爆炸等安全问题。因此需要寻找一种更合适的电解质替代传统的液态电解质。
[0004]与传统的电解液相比，通过聚合反应得到的聚合物电解质不仅可以充当电解质，还能够起到隔膜的作用将正负极隔开。有效的改善了有机电解液充当电解质时带来的安全问题。但对于传统的聚合物电解质来说，室温下电导率低、锂离子迁移数低等缺点，限制了其应用和发展。因此，如何提高聚合物电解质的离子电导率、锂离子迁移数是目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于乙烯基咪唑聚离子液体的固态聚合物电解质膜。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于乙烯基咪唑聚离子液体的聚合物电解质膜，它的结构通式如下：
[0007][0008]式中，X，Y表示两种结构的质量比，比值范围为3:1
‑
1:3之间，n＝8。
[0009]本专利技术的另一目的是为了提供一种上述基于乙烯基咪唑聚离子液体的制备方法，其主要步骤如下：
[0010](1)将乙烯基咪唑和磺酸内酯分别溶于有机溶剂中，混合均匀后，将磺酸内酯溶液经缓释滴入到乙烯基咪唑的溶液中，室温反应24h，经抽滤得到乙烯基两性离子液体，室温真空干燥24h。
[0011]其中，磺酸内酯为1,3
‑
丙烷磺酸内酯或1,4
‑
丁烷磺酸内酯；乙烯基咪唑与磺酸内酯的摩尔比为1:1。有机溶剂为丙酮。
[0012](2)将步骤(1)产物与双三氟甲烷磺酰亚胺锂按比例溶于有机溶剂中，室温下搅拌24h，将有机溶剂旋干，进一步室温真空干燥24h，得到室温下具有一定粘性的含有锂源的离子液体。
[0013]其中，有机溶剂为无水甲醇；乙烯基两性离子液体与双三氟甲烷磺酰亚胺锂的摩尔比为1:1。
[0014](3)将步骤(2)得到的离子液体按照一定的比例，与甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、交联剂、光引发剂混合，混合均匀后，滴加到洗净的玻璃板上，将玻璃板置于紫外灯下照射20分钟，得到相应的固态聚合物电解质膜。
[0015]其中，离子液体与甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯的质量比为2:1
‑
1:2。
[0016]交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，其用量为离子液体与甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯质量的5％，光引发剂为安息香乙醚，其用量为离子液体与甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯质量的0.5％。
[0017]有益效果：本专利技术基于乙烯基咪唑聚离子液体，通过采用特定的结构设计使得双三氟甲烷磺酰亚胺锂中的锂离子与TFSI分开，并分别与磺酸根离子和咪唑阳离子结合，而磺酸根与锂离子的解离能较低，利于锂离子的传导。共聚单体甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯与交联剂PEGDA中的醚氧基团可以与锂离子进行配位，可进一步促进锂离子的迁移，进而提高离子电导率。与此同时，两性离子的结构赋予其在电场中只取向不移动的特性，与传统的离子液体的引入相比，两性离子能最大限度的提高锂离子的迁移，使得乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质实现了电导率和迁移数的双重保障。
附图说明
[0018]图1为实施例3锂离子迁移数的数据图。
[0019]图2为实施例3组装LiFePO4/SPE/Li电池，在0.1C下的循环测试图。
[0020]图3为实施例3组装Li/SPE/Li电池，在0.1mA/cm2下的循环测试图。
具体实施方式
[0021]下面结合实施例对本专利技术做进一步描述，但不限于此。
[0022]实施例1
[0023]本专利技术基于乙烯基咪唑聚离子液体的聚合物电解质膜，其结构通式如下：
[0024][0025]式中，X，Y表示两种结构的质量比，比值范围为3:1
‑
1:3之间，n＝8。
[0026]通过特定的结构设计，得到两性离子液体，实现了更高的锂离子的迁移数。引入甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯，丰富的醚氧结构，促进了体系中锂离子的传导，克服了传统固态电解质中锂离子迁移数低和室温电导率较低的问题。
[0027]实施例1
[0028]本实施例提供一种基于乙烯基咪唑聚离子液体的聚合物电解质膜及其制备方法，具体步骤如下：
[0029](1)将4.7g(0.05mol)乙烯基咪唑和6.1g(0.05mol)1,3
‑
丙烷磺酸内酯分别溶于40mL丙酮中，混合均匀后，将1,3
‑
丙烷磺酸内酯溶液滴入到乙烯基咪唑溶液中，室温反应24h，经抽滤、室温真空干燥24h得到乙烯基两性离子液体。
[0030](2)取0.33g步骤(1)产物与0.44g双三氟甲烷磺酰亚胺锂分别溶于3mL无水甲醇中，混合均匀，将后者滴入前者溶液中，室温下搅拌24h，将有机溶剂室温下真空旋干，进一步室温真空干燥24h，得到室温下具有一定粘性的含有锂源的离子液体。
[0031](3)取0.6g步骤(2)得到的离子液体，与0.3g甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、0.045g聚乙二醇二丙烯酸酯0.0045g安息香乙醚混合，混合均匀后，滴加到洗净的玻璃板上，将玻璃板置于紫外灯下照射20分钟，得到相应的固态聚合物电解质膜。
[0032]对上述聚合物电解质膜进行电导率和锂离子迁移数测定，测得其锂离子迁移数为0.83，室温下电导率为0.10
×
10
‑5S
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cm
‑1，拉伸强度为1.57MPa。与此同时，为检测聚合物电解质膜在全固态锂电池中的应用，将上述聚合物电解质膜与正极(磷酸铁锂极片)、负极(金属锂片)组装成纽扣电池，在室温下进行充放电循环性能测试：在0.1C倍率下测得电池首次
放电比容量为70mAh
·
g
‑1。逐渐稳定于99m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质膜，其特征在于：所述固态聚合物电解质膜的结构通式如下：式中，X，Y表示两种结构的质量比，比值范围为3:1
‑
1:3之间，n＝8。2.一种乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：(1)将乙烯基咪唑和磺酸内酯分别溶于有机溶剂中，混合均匀后，采用恒压分液漏斗将磺酸内酯溶液滴入到乙烯基咪唑溶液中，室温反应24h，经抽滤得到乙烯基两性离子液体，室温真空干燥24h；(2)将步骤(1)产物与双三氟甲烷磺酰亚胺锂按比例溶于有机溶剂中，室温下搅拌24h，将有机溶剂旋干，进一步室温真空干燥24h，得到含有锂源的离子液体；(3)将步骤(2)得到的离子液体按照比例与甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、交联剂、光引发剂混合，混合均匀后，滴加到洗净的玻璃板上，将玻璃板置于紫外灯下照射20分钟，得到固态聚合物电解质膜。3.根据权利要求2所述的乙烯基咪唑聚离子液体基固态聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述磺酸内酯为1,3
‑
丙烷磺酸内酯或1,...

【专利技术属性】
技术研发人员：林本才，刘洁，徐瑶，储富强，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：