[发明专利]一种磺酸基聚合物电解质及其原位制备方法和应用

说明书

本发明提供一种磺酸基聚合物电解质及其原位制备方法和应用。制备方法是将聚合物溶解于溶剂中，加入含有‑SH的硅烷偶联剂，超声除去体系的气泡后成膜，然后浸入氧化剂溶液中，将末端的‑SH氧化为磺酸基，同时硅烷偶联剂水解生成SiO₂，清洗后再放入酸液中酸化，取出后，用去离子冲洗，并用水煮沸除去残余的酸，再放入锂交换液中进行锂交换，清洗烘干，得到含有磺酸锂的聚合物电解质膜。制备的磺酸基聚合物电解质热稳定性和电化学特性均得到了提高，可在锂离子电池等化学电源体系中应用，满足锂离子电池大电流充放电，同时得到单离子导体的作用，提高电池的安全性能。

技术领域

本发明涉及电化学领域，特别涉及一种磺酸基聚合物电解质及其原位制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有高比能量、高功率、无记忆效应、环境友好等特点，是一种绿色的化学电源，具有很好的便携性，已广泛应用于手机、笔记本电脑、相机等移动数码产品和以及心脏起搏器、呼吸机等医学设备和无人机等军事设备等领域。然而，锂离子电池所使用的有机液体电解液使得锂离子电池存在着安全隐患，如，液体电解液的主要成分为碳酸酯类，具有易挥发、易燃、反应活性高等特点，因此存在着燃烧甚至爆炸的安全隐患，且在有机液体电解液中，需要添加锂盐用来传导锂离子，然而为了提高锂盐在电解液的溶解度，一般锂盐都具有大阴离子，这样就使得锂离子比阴离子更容易溶剂化，造成锂离子迁移数仅为0.3左右，在充电放电时发生严重的极化现象，因此充电过程中存在着安全隐患。目前，主要的解决方法是采用聚合物电解质替代液体电解液，通过降低电解质与电极的反应活性等提高锂离子电池的安全性能，以及使用单离子导体替代锂盐提高锂离子迁移数提高锂离子电池的安全性能。在聚合物电解质中添加无机物形成有机无机复合聚合物电解质，由于提高显著提高聚合物电解质和机械稳定性等性能受到了广泛关注，在锂单离子导体方面，以在膜上接枝磺酸基为主。

聚合物电解质中可以吸附液体电解液溶剂，且含有磺酸基的聚合物体相中有丰富的磺酸锂，可解离出丰富的锂离子，从而实现了锂离子的快速传导。有机无机复合聚合物电解质主要是在聚合物基体中添加无机填料，填料通过与聚合物链段形成以填料为中心的物理交联网络体系，增强聚合物分散应力的能力，提高聚合物电解质的机械性能及热稳定性。

若能在填充无机填料的同时引入磺酸基团，则可以实现含磺酸基的有机无机复合聚合物电解质功能的复合，进而得到锂单离子导体聚合物膜，从而提高聚合物电解质的综合性能。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种含有磺酸基的有机无机复合聚合物电解质的原位制备方法，包括以下步骤：

1)将聚合物溶解于溶剂中形成质量分数为5％～30％的聚合物溶液，加入含有-SH基的硅烷偶联剂，混合均匀后超声除去体系的气泡并成膜，得到厚度为1-100μm的聚合物膜；其中所述聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))中的至少一种，所述溶剂是所述聚合物的良溶剂；

2)将得到的聚合物膜浸入氧化剂溶液中0.3～6h，使膜中-SH基氧化为-SO₃H基，同时硅烷偶联剂水解生成SiO₂，从而得到含有-SO₃H基的SiO₂无机有机复合聚合物膜，通过去离子水淋洗后浸入0.01～12M的酸液中进一步质子化，然后用去离子水淋洗并煮沸除去残留的酸，得到磺酸基聚合物膜；

3)将磺酸基聚合物膜浸入浓度为0.01mol L^-1的锂交换液中进行锂交换，然后用去离子水冲洗并煮沸，烘干，得到含有磺酸锂的所述磺酸基聚合物电解质。