一种PEG基聚合物固态电解质载体材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种PEG基聚合物固态电解质载体材料及其制备方法和应用，该方法包括：通过均苯二酐的酸酐基团与聚乙二醇上的端羟基进行酯化反应，在聚乙二醇的柔性链段中引入相对刚性的苯环结构，得到PEG基聚合物固态电解质载体材料。本发明专利技术苯环结构的引入一方面在一定程度上破坏了PEG的结晶性，从而有利于电导率的提高，另一方苯环特殊的共轭体系容易吸引半径极小的锂离子，从而更容易使锂离子从锂盐中解离；最后，残留的羧酸基团可以作为单离子导体基团，有助于提高离子迁移数和电导率。所述电解质材料与现有技术相比能够同时提高电解质的循环稳定性能和倍率性能，并且具有较宽的电化学窗口，因而有着比较强的适配性，在电化学领域具有巨大的应用潜力和工业价值。化学领域具有巨大的应用潜力和工业价值。化学领域具有巨大的应用潜力和工业价值。

【技术实现步骤摘要】
一种PEG基聚合物固态电解质载体材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于固态电池电解质材料领域，具体涉及一种PEG基聚酸酯类聚合物电解质材料及其制备方法及其在固态电池中的应用。

技术介绍

[0002]随着人们对电网的储能和电动汽车的需求不断增加，开发高性能电池已引起科学界的极大关注。在各种储能设备中，锂离子电池(LMB)由于其高比能量，低标准电极电位(
‑
3.045V)长循环寿命等优点，使其成为优良储能设备。传统锂离子电池采用常规有机液体电解液，由于有机电解液具有高化学活性、挥发性、易燃等缺陷，导致电池出现腐蚀、污染和爆炸等一系列问题，严重影响锂离子电池的安全应用。
[0003]为了解决这个问题，固态电池进入了人们的视野。与传统有机电解液相比，固态电解质因其良好的安全性、高能量密度和循环性能而被认为是液体电解质最有潜力的替代品。固态电解质主要分为两大类，一类是无机固态电解质(ISE)，另一类是固态聚合物电解质(SPE)。ISE指的是指具有较高离子导电率的无机固体物质,用于锂离子电池的无机固体电解质也称为锂快离子导体。这种材料具有较高的电导率(>10
‑3S/cm)和离子迁移数(接近于1)，然而，机械强度差、与电极活性物质接触时的界面阻抗大和电化学窗口不够宽是制约无机固体电解质用于锂离子电池的主要障碍。相对于无机固体电解质而言，有机聚合物固态电解质是由具有极性官能团(酰胺、氰基、碳基、酯、醚等)的聚合物和金属盐制成的，其体系中不含有机溶剂，是一种非常安全的聚合物电解质。其机械上更灵活，与不同电极的界面接触更好，从而显著降低了电池的界面电阻。此外，还具备优良的加工性、高韧性和透明度，适合各种操作条件，因此具有较好的发展前景。
[0004]然而在实际的应用过程当中，由于锂金属负极具备较高的反应活性，在与聚合物电解质接触的过程中会不断发生副反应，从而导致枝晶生长，死锂堆积，这严重影响了金属锂的沉积、剥离的可逆性，降低了锂离子电池的库伦效率。因此迫切需要开发一种高稳定性的聚合物固态电解质，应用于锂离子电池。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种PEG基聚合物固态电解质载体材料及其制备方法和应用。该PEG基聚合物固态电解质材料具有高稳定性的特性，应用于锂离子电池。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的第一个方面是提供一种该方法包括：通过均苯二酐的酸酐基团与聚乙二醇上的端羟基进行酯化反应，在聚乙二醇的柔性链段中引入相对刚性的苯环结构，得到PEG基聚合物固态电解质载体材料。
[0007]进一步设置是包括以下步骤：
[0008]S1:将聚乙二醇和均苯二酐加入到极性非质子溶剂中，升高温度进行酯化反应；
[0009]S2：反应完成后，将温度继续升高用于除去极性非质子溶剂，得到PEG基聚合物固
态电解质载体材料。
[0010]进一步设置是在步骤S2中，所述极性非质子溶剂为DMSO、DMF、DMAC、NMP、丙酮、乙腈中的一种或几种组合。
[0011]进一步设置是所述步骤S1中酯化反应温度为60
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120℃，反应时间为6
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24小时，例如可为60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃；反应时间为6
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24小时，例如可为6小时、8小时、12小时、14小时，16小时，18小时，20小时，22小时，24小时。在步骤S2中，所述除去极性非质子溶剂的干燥温度为80
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120℃，干燥时间为1
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4小时。所述干燥温度为80
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120℃，真空干燥箱温度为80
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120℃，例如可为80℃、90℃、100℃、110℃120℃、最优选为100℃；干燥时间为1
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4小时，例如可为1小时、2小时、3小时、4小时，最优选为2小时。
[0012]进一步设置是所述的聚乙二醇的分子量为200
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10000。优选的所述聚乙二醇的分子量为400
‑
4000。
[0013]进一步设置是所述聚乙二醇与均苯二酐的投料比摩尔比为1:1
‑
1:2。例如可为1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2。
[0014]本专利技术的第二个方面是提供一种如上述制备方法所制备的PEG基聚合物固态电解质载体材料。
[0015]本专利技术的第三个方面是提供一种锂离子电解质材料，以所述的PEG基聚合物固态电解质载体材料为载体，装载锂盐，所述的锂盐种类较多，例如可为双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、硝酸锂(LiNO3)等，优选为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)。
[0016]在本专利技术所述一种高稳定性的聚合物固态电解质材料在固态电池中的应用，所述PEG基聚合物固态电解质载体材料和锂盐的物质的量的比为1
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21:1，例如可为8:1、10:1、12:1、15:1、18:1、21:1、23:1等。
[0017]本专利技术的第四个方面一种高稳定固态电池，以所述的PEG基聚合物固态电解质载体材料作为电解质的载体材料。
[0018]本专利技术的第五个方面是提供一种如所述的锂离子电解质材料作为锂离子固态电池中固态电解质的应用。
[0019]具体为：1、取一定比例的制备成的聚合物和锂盐加入到含有机溶剂的玻璃瓶中，加热搅拌，将搅拌均匀的浆料倒在铺有支撑层的聚四氟乙烯模具当中，随后除去溶剂，得到聚合物电解质膜，然后裁剪成小圆片备用。
[0020]2、电池的电化学性能受空气中的水分影响非常大，因而要确保整个组装电池过程均在充满氩气氛围的手套箱中进行。电池的组装工艺用到2032电池壳、不锈钢片(SS)、SPE、金属锂片(Li)。具体步骤为：1)对称不锈钢电池(SS||SPE||SS)的组装:依次放置顺序为负极壳、SS垫片、SPE、SS垫片、弹片、正极壳，用手动电池封口机按压紧实，为防止电池微短路，装入绝缘袋子备用。2)对称锂电池(Li||SPE||Li)的组装:依次放置顺序为负极壳、Li片、SPE、Li片、SS垫片、弹片、正极壳，用电池封口机按压紧实，装入绝缘袋子备用。3)非对称电池(SS||SPE||Li)的组装：依次放置顺序为负极壳、SS垫片、SPE、Li片、SS垫片、弹片、正极壳，用电池封口机按压紧实，装入绝缘袋子备用。4)半电池(LFP||SPE||Li)的组装：依次放置顺序为负极壳、LFP正极片、SPE、Li片、SS垫片、弹片、正极壳，用电池封口机按压紧实，装入绝缘袋子备用。经过高温活化一定时间后进行电池性能测试。
[0021]其中步骤1)中，加热搅拌的温度为25
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100℃，例如可为25℃，40℃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PEG基聚合物固态电解质载体材料的制备方法，其特征在于该方法包括：通过均苯二酐的酸酐基团与聚乙二醇上的端羟基进行酯化反应，在聚乙二醇的柔性链段中引入相对刚性的苯环结构，得到PEG基聚合物固态电解质载体材料。2.根据权利要求1所述的PEG基聚合物固态电解质材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1:将聚乙二醇和均苯二酐加入到极性非质子溶剂中，升高温度进行酯化反应；S2：反应完成后，将温度继续升高用于除去极性非质子溶剂，得到PEG基聚合物固态电解质载体材料。3.根据权利要求2所述的PEG基聚合物固态电解质材料的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述极性非质子溶剂为DMSO、DMF、DMAC、NMP、丙酮、乙腈中的一种或几种组合。4.根据权利要求1所述的PEG基聚合物固态电解质材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中酯化反应温度为60
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120℃，反应时间为6
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈光，魏宏进，申传奇，金辉乐，王舜，李俊，叶美玲，彭旭镪，张敏，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：