[发明专利]一种聚合物电解质膜及其制备方法和聚合物电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物电解质膜及其制备方法和聚合物电池。

背景技术

锂离子电池以其高工作电压、高能量密度、体积小、无记忆效应、寿命长等优点，成为现阶段发展的主要能源。目前锂离子电池已经在手机、笔记本电脑、便携式数码设备等移动电子终端设备领域占据了主导地位，而且在电动汽车、空间技术、PDA、蓝牙耳机以及军事国防等诸多领域也得到了越来越广泛的应用，对其性能的要求也越来越高。

目前，国内外锂离子二次电池大部分采用的是液态电解质，虽然液态锂离子电池具有良好的高倍率充放电性能和低温性能，但其也有一些不利因素，如：漏液现象、安全性欠佳等缺点。所以，人们的研究方向进而转向安全性更高的固体锂离子电池上，并在此基础上开发了新一代的聚合物锂离子二次电池。聚合物锂离子电池由于材料柔软、不会漏液，外形设计更加灵活，易于薄型化和任意形状化等优点，越来越发展成为移动通讯和便携式数码产品的理想能源。

聚合物电池一般可分为：(1)聚合物正极电池，即正极采用导电聚合物，其比能量比现在的锂离子电池大约高出2倍，但技术尚不成熟。(2)固体聚合物电解质膜电池(solid polymer electrolyte，SPE)，电解质为聚合物与盐混合物，但此种电池在室温下的离子电导率较低(10^-4～10^-5S/cm)，一般只适用于高温；(3)凝胶聚合物电解质膜电池(gel polymer electrolyte，GPE)，即在固体聚合物电解质膜中添加增塑剂，形成了具有微孔结构的聚合物网络，利用固定在微结构中的液态电解质分子实现离子传导，提高了离子电导率，室温离子电导率一般在10^-3数量级，是现有研究较广泛、较成熟的技术，应用较实际，已经得到商业应用。

凝胶聚合物电解质膜是凝胶聚合物电解质膜电池中的重要组成部分，是现有技术研究的热点和难点。现有公开有在聚合物电解质膜中添加二氧化硅等无机纳米添加剂来改善聚合物电解质膜的机械强度，但由于无机纳米颗粒只是简单的填充吸附在凝胶电解质膜的孔隙中，相互间仅靠物理作用，在提高机械强度方面作用有限，且无机颗粒在电解质膜中很难分散，易堆积，降低膜的离子电导率；为了克服此种困难，现有技术也有直接采用聚硅氧烷的聚合物电解质膜或对其改性的聚硅烷体系的聚合物电解质膜例如聚硅氧烷-聚氧化烯化合物，利用聚硅烷体系的高机械强度，来提高聚合物电解质膜的离子导电率、高温性能和机械强度等，但由于硅烷体系聚合物的交联一般在pH值为小于1.5的酸性条件的水溶液中进行，残留的水分和酸性杂质离子难以除去，会明显增加锂电池的不可逆容量和加速电池循环劣化。现有技术也有进一步改性采用骨架上带有各种内增塑链段及末端悬挂有羟基的聚氧化乙烯/聚氧化丙烯链段的聚甲基硅氧烷或聚类乙二醇与具有三官能团的异氰酸酯交联制得具有三维网络的聚合物电解质膜，其利用链段的运动，提高了离子传输的速度，提高了离子导电率，但其嵌段、接枝反应过程环境要求比较苛刻，产物结构不易控制，尚停留在实验室开发阶段。

发明内容

本发明为了解决现有技术制备高机械强度、高导电率的聚合物电解质膜的方法复杂难实现且制备的聚合物电解质膜残存杂质，结构不稳定。提供一种机械强度更高、导电率更高且结构更稳定更易控制的聚合物电解质膜。

一种聚合物电解质膜，包括含硅氧键长链的聚合物和氧化硅，其中，含硅氧键长链的聚合物和氧化硅是聚合物基体和硅酸酯在pH值为6.5-8.0的有机溶液中反应的产物；聚合物基体选自聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚醚砜中的一种或几种。

本发明同时提供了上述聚合物电解质膜的制备方法，包括将聚合物基体与硅酸酯在ph＝6.0-7.5的中性有机溶液中接触；加入增塑剂；干燥成膜。其中，聚合物基体选自聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚醚砜中的一种或几种。