[发明专利]一种掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质及其制备方法

说明书

本发明提供了一种掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质及其制备方法，属于固态聚合物电解质材料技术领域。本发明所述新型掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质是由表面接枝聚乙烯亚胺的多巴胺包覆二氧化硅纳米颗粒、锂盐、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺和能溶解聚氧化乙烯的有机溶剂混合后干燥成膜制备而成。所述制备方法包括：制备多巴胺包覆二氧化硅纳米颗粒、颗粒表面接枝聚乙烯亚胺、制备电解质混合液和制备电解质薄膜。本发明制备工艺简单，效率高，生产成本低，所得到的锂离子电池固态聚合物电解质具有较好的热稳定性与机械强度及优异的安全性能，具有很高的市场前景。

技术领域

本发明属于固态聚合物电解质材料技术领域，具体涉及一种掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质及其制备方法。

背景技术

从上个世纪六七十年代开始，人们就一直在研究和发展锂离子电池。锂离子电池具有高的比能量，高效率和长寿命等特点，这些独特的性能使得锂离子电池成为电子消费市场动力源的首选。但是，随着锂离子电池技术的发展，人们在柔性电子产品、清洁能源、电动汽车等方面研究的不断深入，高性能锂离子电池不仅需要高效储存能量，还需要具有柔韧性、安全性、轻质、耐久性等性能。其中电解质连接着两个电极，对于这些性能的实现起着重要作用。

传统锂离子电池主要采用有机液态电解质，在使用过程中可能出现电解液泄露，高温下挥发膨胀甚至爆炸的危险，从而存在着一定的安全隐患。为解决这一问题人们研制出聚合物电解质。聚合物电解质按其形态可以分为全固态聚合物电解质和凝胶聚合物电解质，其中凝胶电解质仍包含可燃的有机电解液，在电池的安全性上并没有做出实质性的改变，且机械性能较差。全固态电解质不包含液态的电解液以及增塑剂，从而不会产生电解液泄露以及高温下挥发膨胀的问题，安全性能好。同时其形状和尺寸不受限制，柔韧性好，在电池设计时可以实现薄形化、面积及形状可任意设计等优点。再者，它有比较好的机械强度，能抑制锂枝晶的形成，避免在电池内部形成短回路，消除安全隐患，可将其应用到锂金属电池中去，提高电池整体的能量密度。然而，固态电解质现在存在的最大问题是离子电导率低，与其他品种相比低了几个数量级，还不能满足实际应用的需要，此外它与正负极的界面接触并不理想。

固态电解质通常是由锂盐和聚合物本体构成。由于聚环氧乙烷对锂盐的溶解性好，所以基于聚环氧乙烷的固态电解质应用最广。聚环氧乙烷是典型的半结晶聚合物，Li⁺通过与聚环氧乙烷链上无定型区链段的氧原子“络合―解离―再络合”作用，从而实现Li⁺的定向移动。由于作为固态电解质基体的高分子材料大多结晶度较高，低温下聚合物基体与锂盐形成的络合物大部分处于结晶区，导致聚合物链段难以进行热运动，因此固态电解质的离子电导率均较低，且界面性能较差，限制了其实际应用。提高全固态聚合物电解质的离子电导率的方法主要有两种：一是通过扩大无定形态的比例增加载流子的迁移速率；二是增加载流子浓度。这可以通过添加纳米颗粒(Al₂O₃、SiO₂、TiO₂)、增塑剂或者与其他聚合物共混来实现，而某些纳米粒子既能增强机械性能，又能为离子传输提供通道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好化学稳定性的掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质及其制备方法，所述掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质由表面接枝聚乙烯亚胺的多巴胺包覆二氧化硅纳米颗粒、锂盐、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺和能溶解聚氧化乙烯的有机溶剂混合后干燥成膜制备而成。其中，所述表面接枝聚乙烯亚胺的多巴胺包覆二氧化硅纳米颗粒的含量为：0.5～1％，所述锂盐的含量为1～1.5％，所述聚氧化乙烯的含量为4～5％，所述聚乙烯亚胺的含量为1～1.5％，所述能溶解聚氧化乙烯的有机溶剂的含量为91～93.5％。所述的固态聚合物电解质制膜后，其膜厚度在100-200μm之间。

本发明还提供了一种掺有改性纳米填料的固态聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：制备多巴胺包覆二氧化硅纳米颗粒；