[发明专利]全固态聚合物电解质膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全固态聚合物电解质膜及其制备方法。

背景技术

随着电动汽车的发展以及电网储能及小型储能需求的发展，开发能够在宽的温度范围内使用，具有高安全性、高能量密度及功率密度的电池十分重要。在各种商业化可充放电化学储能装置中，锂离子电池拥有最高的能量密度，现有的商用锂离子电池主要是采用液态电解质。

含有液态有机溶剂的锂离子电池，由于液体电解质与电极材料、封装材料缓慢地相互作用和反应，长期服役时溶剂容易干涸、挥发、泄露，电极材料容易被腐蚀，影响电池寿命。另外，采用有机电解液的锂离子充电电池，过度充电、内部短路等异常情况发生时可能导致电解液发热，有自燃或爆炸的危险。

全固态电池不采用液体电解液，而是采用固体电解质，不易燃烧，其安全性可大幅提高。并且，在理想状态下，固态时锂的扩散速度(离子传导率)较液体电解液时高，理论上可实现更高的输出。为了克服液态电解质锂离子电池的安全问题，提高能量密度，目前科研界和工业界都在研发以及生产全固态电池，也就是把传统的锂离子电池的隔膜和电解液，换成固态的电解质材料，开辟了锂电池新的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题和不足，提供了全固态聚合物电解质膜及其制备方法，具有提高电解质导电率，制备的电解质膜均匀致密、电导率高、电化学窗口大、机械性能优良，满足全固态锂离子电池用聚合物电解质的要求，具有较好的稳定性和安全性。本发明制备的电解质具备设计简单、易于制造、使用安全等优点。

本发明所述的全固态聚合物电解质膜以PEO或PEO-PMMA为基体。

PEO为聚氧化乙烯，PEO-PMMA为聚氧化乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯。

本发明所述的一种全固态聚合物电解质膜的制备方法，包括以下步骤：

将基体和锂盐溶解到有机溶剂中，加入纳米填充物、增塑剂，加热搅拌，混合均匀得到粘液，浇注于聚四氟乙烯板上流延成膜，真空干燥后得到固态聚合物电解质薄膜。

制备过程在惰性气体环境下进行，惰性气体为氩气或者氮气。

纳米填充物为5-25wt％，增塑剂为5-70wt％。

所述纳米填充物的添加的质量百分含量优选为15％，增塑剂的添加的质量百分量优选为50％。

电化学性能测试采用对称阻塞电池，采用不锈钢片SS/电解质膜/不锈钢片SS组装成对称阻塞电池。

所述的模拟电池的组装过程是在充满惰性气体的手套箱中进行的；电解质膜选取厚度均匀的位置进行裁取。

所述锂盐为LiPF₆；所述有机溶剂为DMF；所述纳米填充物为Al₂O₃；所述增塑剂为碳酸亚乙酯(EC)；所述PEO和锂盐LiPF₆的摩尔比例为8-10：1。

上述质量百分添加量的Al₂O₃和EC所制备的全固态聚合物电解质膜的电化学窗口和电导率是最佳的。

本发明通过添加增塑剂EC来提高固态电解质的电导率。增塑剂EC分子的极性基团与聚氧化乙烯PEO的极性基团相互作用取代了聚合物分子之间极性基团的相互作用，消弱了聚合物分子链之间的相互作用，使聚合物分子链相互作用形成的次价交联点减少，破坏了聚氧化乙烯的晶格，阻止了聚氧化乙烯结晶的生长，提高了聚合物电解质的非晶相组成，降低了玻璃化温度，增加了聚合物分子链段的运动能力，有利于提高聚合物电解质的电导率。

所述搅拌时间为3-5小时；所述真空干燥温度为90-100℃、时间为24-48小时。

全固态聚合物电解质膜以PEO为基体时，制备步骤如下：

(1)在惰性气体的保护下，PEO和锂盐溶解在有机溶剂中，加入纳米填充物、增塑剂；将上述原材料进行搅拌，混合均匀得到透明粘稠液，浇注于聚四氟乙烯板上流延成膜，真空干燥后得到所述PEO基固态聚合物电解质薄膜。

(2)将步骤(1)中得到的固态聚合物电解质膜从聚四氟乙烯板表面撕下，裁剪，进行电化学性能测试。

全固态聚合物电解质膜以PEO-PMMA为基体时，制备步骤如下：

(1)PEO-PMMA嵌段共聚物的制备：在惰性气体的保护下，将PEO和PMMA混合，溶解在有机溶剂中，在恒温条件下共聚反应一定时间；