一种一体化聚合物电极-电解质材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂金属电池领域，具体涉及一种一体化聚合物电极

【技术实现步骤摘要】
一种一体化聚合物电极
‑
电解质材料及其制备方法和应用

：
[0001]本专利技术涉及锂金属电池领域，具体涉及一种一体化聚合物电极
‑
电解质材料及其制备方法和应用。

技术介绍
：
[0002]锂二次电池作为一种重要的能量储存技术，广泛应用于电子产品、电动汽车、可再生能源存储等领域。然而，现阶段已经商业化的液态电解质锂电池存在能量密度低、安全性差等问题。相比之下，采用固态电解质的固态锂电池具有高安全性和高能量密度的潜力，被认为是下一代革命性的电池技术，已成为电池研究领域的前沿和热点。
[0003]然而，相较于液态电解质与极活性物质之间紧密接触的固
‑
液界面，固态电解质与极活性物质难以形成紧密的固
‑
固接触界面，难以保证界面处连续的锂离子传输和充分的电化学反应，导致固态电池界面阻抗大、反应动力学缓慢、容量低和循环稳定性差等问题。这一技术瓶颈是固态锂电池在实用化进程中的关键挑战之一。
[0004]针对上述问题，研究人员聚焦于设计复合电极中的离子传输通路来改善界面接触。如在电极与固态电解质间加入液态电解质缓冲层，以提高复合电极片内部活性物质的润湿性，改善锂离子在界面处的传输，然而引入液态组分会降低固态电池的本征稳定性和安全性；在制备复合电极的过程中，混合大量的固态电解质，以提高复合电极内部的离子传导能力，然而物理混合离子导体和活性物质会带来不均匀的离子传输网络，影响容量发挥和倍率性能，降低电池的能量密度。

技术实现思路
：
[0005]为了克服现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术目的在于提供一种一体化聚合物电极
‑
电解质材料及其制备方法和应用，解决现在技术中固态电池界面阻抗大、反应动力学缓慢、容量低和循环稳定性差等问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种一体化聚合物电极
‑
电解质材料，该材料包括聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
、锂盐，锂盐与聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
的质量比为(0.5～0.1)：1。
[0008]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料，聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
具有如下结构通式：
[0009][0010]其中，x为1～10中的整数，y为1～4中的整数，n为2～10000；以短硫链作为活性组分单元和环氧乙烷基团作为离子传导单元，离子传导单元与活性组分单元通过碳硫共价键连接。
[0011]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料，锂盐为LiTFSI、LiClO4、LiNO3、LiPF6、LiBF4和LiAsF6中的至少一种。
[0012]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013](1)在惰性气体氛围下，将硫粉、端基为硫醇基团的反应单体SH
‑
(CH2CH2O)
z
‑
SH溶解于有机溶剂中；
[0014](2)加入催化剂，在水浴加热条件下持续搅拌；
[0015](3)转移至玻璃容器提纯，蒸发残余溶剂后，得到聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
；
[0016](4)将聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
和锂盐均匀溶解于有机溶剂中，经真空干燥去除溶剂后，即获得一体化聚合物电极
‑
电解质材料。
[0017]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的制备方法，在步骤(1)中，硫粉和SH
‑
(CH2CH2O)
z
‑
SH的质量比为(5～0.2)：1；有机溶剂为二硫化碳和甲苯，二硫化碳和甲苯的体积比为(0.1～10)：1；有机溶剂与硫粉、SH
‑
(CH2CH2O)
z
‑
SH之和的质量比为(100～20)：1；SH
‑
(CH2CH2O)
z
‑
SH中，z为1～10中的整数。
[0018]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的制备方法，在步骤(2)中，催化剂为二乙胺，催化剂与SH
‑
(CH2CH2O)
z
‑
SH的质量比为(0.1～1):100；水浴加热温度为25～80℃，加热搅拌的时间为2～48h。
[0019]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的制备方法，在步骤(4)中，有机溶剂与聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
、锂盐之和的质量比为(1～10)：1，经40～80℃真空干燥40～80小时去除溶剂；有机溶剂为乙腈、N
‑
甲基吡咯烷酮、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃以及丙酮中的至少一种。
[0020]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的应用，将一体化聚合物电极
‑
电解质材料均匀溶解于溶剂中，随后均匀布设在集流体和多孔支撑材料组成的叠加体中，使集流体和多孔支撑材料负载一体化聚合物电极
‑
电解质材料，烘干制得一体化聚合物电极
‑
电解质结构。
[0021]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的应用，集流体中的聚合物载量为1～10mg/cm2，多孔支撑材料中的聚合物载量为1～10mg/cm2；溶剂为乙腈、N
‑
甲基吡咯烷酮、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃以及丙酮中的至少一种；集流体为碳纤维纸、碳纳米管纸、涂碳铝箔以及泡沫镍中的至少一种；多孔支撑材料为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚酰亚胺隔膜以及玻璃纤维隔膜中的至少一种。
[0022]所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的应用，由一体化聚合物电极
‑
电解质结构和锂金属负极组装而成固态锂金属电池。
[0023]本专利技术的设计思想是：
[0024]本专利技术一体化聚合物材料包括短硫链作为活性组分单元和环氧乙烷基团作为离子传导单元，离子传导单元与活性组分单元通过碳硫共价键连接。在活性组分/离子传导界面处构筑了原子尺度上连续、均质的离子导电通路，有助于提高固态锂电池的容量发挥和倍率性能。活性组分通过共价键连接在聚合物主链上，可缓解充放电过程中间产物的穿梭效应，改善固态锂电池的循环稳定性。因此，在分子水平上合理设计活性物质和离子导体，优化活性物质和离子导体的分布位置和键合方式，能够综合提高固态锂电池的反应动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一体化聚合物电极
‑
电解质材料，其特征在于，该材料包括聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
、锂盐，锂盐与聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
的质量比为(0.5～0.1)：1。2.根据权利要求1所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料，其特征在于，聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
具有如下结构通式：其中，x为1～10中的整数，y为1～4中的整数，n为2～10000；以短硫链作为活性组分单元和环氧乙烷基团作为离子传导单元，离子传导单元与活性组分单元通过碳硫共价键连接。3.根据权利要求1所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料，其特征在于，锂盐为LiTFSI、LiClO4、LiNO3、LiPF6、LiBF4和LiAsF6中的至少一种。4.一种权利要求1至3之一所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在惰性气体氛围下，将硫粉、端基为硫醇基团的反应单体SH
‑
(CH2CH2O)
z
‑
SH溶解于有机溶剂中；(2)加入催化剂，在水浴加热条件下持续搅拌；(3)转移至玻璃容器提纯，蒸发残余溶剂后，得到聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
；(4)将聚合物基体P(EO
x
‑
S
y
)
n
和锂盐均匀溶解于有机溶剂中，经真空干燥去除溶剂后，即获得一体化聚合物电极
‑
电解质材料。5.根据权利要求4所述的一体化聚合物电极
‑
电解质材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，硫粉和SH
‑
(CH2CH2O)
z
‑
SH的质量比为(5～0.2)：1；有机溶剂为二硫化碳和甲苯，二硫化碳和甲苯的体积比为(0.1～10)：1；有机溶剂与硫粉、...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙振华，徐若谷，李峰，张笑银，徐胜军，白朔，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：