[发明专利]一种聚合物电解质及其制备方法和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体地，涉及一种聚合物电解质及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池作为一种新型储能电池因容量高、能量密度大等优点被视为下一代动力电池的有力竞争者，也被认为是最接近商业化的电池。锂离子电池包括正极、负极和位于正负极之间的中间电解质层。

目前，用于锂离子的全固态聚合物电解质中通常含有聚合物和锂盐。此外，为提高聚合物电解质的离子电导率，通常会在电解质体系中引入无机材料。然而，在聚合物中引入无机纳米粒子，虽然电导率有一定程度的改善(通常约有一个数量级)，但是由于纳米粒子难以分散、多为团聚体，会导致其界面作用不明显，并且较多的纳米粒子对离子电导率的改善具有一定的抑制作用。针对该问题，目前采取的普遍做法是采用硅烷偶联剂改性纳米粒子以提高纳米粒子的分散性。例如，CN103066323A公开了一种无机纳米粒子改性的聚合物电解质，该聚合物电解质由含有乙氧基的离子化合物接枝的无机纳米粒子与聚合物电解质通过共混制得，其中，无机纳米粒子在聚合物电解质中的含量为1-40重量％。然而，采用该方法对离子电导率提高的幅度非常有限。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的聚合物电解质的离子电导率较低的缺陷，而提供一种能够显著提高离子电导率的聚合物电解质及其制备方法和锂 离子电池。

无机材料的引入对聚合物电解质电导率的改善机理解释为：如图1所示，当将无机材料(灰色1/4球)引入到聚合物(黑色曲线)电解质体系中时，会在无机材料的界面处形成低密度区域，聚合物在此区域中的特征表现为聚合物无结晶，链段更“自由”(玻璃化转变温度T_g较低)，具有液态特征(流动性好)；此外，由于聚合物基体相中的锂离子(圆球)与无机纳米粒子存在路易斯酸碱相互作用，会使得部分锂离子被束缚在无机纳米粒子的表面(即图中低密度区域)，相比于在聚合物基体相中的锂离子进行杂乱无章的迁移，在无机纳米粒子界面处的锂离子能更自由地移动(T_g较低)，并缩短其传导路径，从而为锂离子在聚合物基体相中的迁移提供优先通道(即快离子通道)，有助于锂离子的迁移，进而提高离子电导率。然而，如上所述，在聚合物中引入无机纳米粒子，虽然电导率有一定程度的改善，但是由于纳米粒子难以分散、多为团聚体，会导致其界面作用不明显，并且较多的纳米粒子对离子电导率的改善具有一定的抑制作用。

本发明的发明人经过深入研究后发现，在将无机材料与聚合物和锂盐混合之前，先将无机材料的表面采用有机锂盐进行改性，一方面，能够降低无机材料的团聚现象，提高无机纳米颗粒的分散性，另一方面，无机材料表面有更多可解离的锂盐，从而更有利于无机材料界面处的快离子通道的建立，更有利于锂离子在其界面处的传输和迁移，进而显著提高离子电导率。基于此，完成了本发明。

具体地，本发明提供了一种聚合物电解质，其中，所述聚合物电解质含有聚合物、锂盐以及改性无机材料，所述改性无机材料为表面键连有有机锂盐基团的无机材料。

本发明还提供了所述聚合物电解质的制备方法，该方法包括将所述聚合物、锂盐以及改性无机材料混合均匀。

此外，本发明还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池包括正极、负极和电解质，其中，所述电解质为上述聚合物电解质。

本发明提供的聚合物电解质具有非常高的离子电导率。

此外，本发明通过深入研究后还发现，改性无机材料的形状对离子电导率也具有很重要的影响，相比于改性无机颗粒材料，改性无机棒状材料或者改性无机线状材料的界面作用更明显，对离子电导率的改善更具优势。因此，相应地，根据本发明的一种优选实施方式，所述改性无机材料的形状为棒状和/或线状，此时能够更显著地提高离子电导率。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为无机材料对聚合物电解质电导率的改善机理；

图2为改性无机材料的具体制备过程；

图3为由实施例2得到的改性无机材料的微观形貌；

图4为实施例2所采用的TiO₂纳米棒和所得到的改性无机材料的FT-IR谱图；

图5为由实施例2得到的聚合物电解质膜；

图6为离子电导率随温度变化的曲线图。

具体实施方式