[发明专利]三臂支化聚合离子液体凝胶电解质及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三臂支化聚合离子液体凝胶电解质及其制备方法，其步骤为：以三羟甲基丙烷与2‑溴异丁酰溴反应制备三臂大分子引发剂；以三臂大分子引发剂进行甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的原子转移自由基聚合，制备三臂支化聚合物；将三臂支化聚合物与卤代烃或卤代季铵盐进行N‑烷基化反应、离子交换得到三臂支化聚合离子液体；将三臂支化聚合离子液体与不同锂盐、离子液体进行复合，通过溶液浇铸法得到聚合离子液体凝胶电解质。该凝胶电解质具有较高的离子电导率、离子迁移数和较宽的电化学窗口，可用于锂离子电池，锂硫电池，锂空气电池等领域。

技术领域

本发明属于储能器件用电解质隔膜材料制备技术，具体涉及一种三臂支化聚合离子液体凝胶电解质及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高，笔记本电脑、手机等各种便携式移动电子设备已经成为日常生活中的必需品，这些移动终端的使用离不开储能器件的发展。另一方面，化石燃料的大规模使用带来诸如酸雨、温室效应等严重的环境污染问题，提高能源利用和转化效率，充分发展绿色能源技术迫在眉睫。锂离子电池是当今国际社会公认的理想化学储能装置，已逐步替代其它二次电池成为各种电子设备的首选。尽管锂离子二次电池早在上世纪90年代就已经实现了商品化，但其中电解质材料的使用还有很大的改进和发展空间。到目前为止，使用最为广泛的锂离子电池采用的电解质均为液态有机化合物，具有易泄露、闪点较低、易燃烧、易挥发、有毒等缺点，在运输和携带过程中发生挤压、碰撞很容易造成电池的变形甚至是电解液的泄露，对环境以及人体健康造成威胁。在过充或某些意外情况下，还易发生短路、燃烧、爆炸等问题，严重影响电池的可靠性。苹果公司的笔记本电脑自燃、三星note7手机电池爆炸，美国联合包裹服务公司(UPS)的货机坠毁，特斯拉电动汽车发生碰撞的起火事故等不间断的电池问题，都对锂离子电池的安全使用提出了进一步要求。从锂离子电池的组成部件和物性上分析，隐患主要存在于电解质上，用聚合物固态电解质替代液态有机电解质意义重大。

尽管针对固态电解质的开发研究取得了诸多突破，但是固态电解质锂离子电池的技术水平仍然没有达到商业化的需求。其一，全固态锂离子电池的室温电导率很小，只有在60℃以上的环境中才可正常使用；其二，电解质-电极界面相容性较差，只能在较低的倍率下充放电才有较好的容量发挥；其三，化学稳定性不足，电化学窗口较窄，电池的长期充放电循环使用性能较差。截至目前，还没有能够同时克服上述问题的电解质材料被研发出来。凝胶聚合物电解质由聚合物、增塑剂和无机盐等组成，通过聚合物间化学交联以及范德华力、氢键、结晶等凝胶化作用制备而成，能够综合全固态电解质和液态电解质的性能特点，被认为是最有可能突破以上技术难题的重要技术。所以，开发室温离子电导率高、倍率性能好、循环稳定且寿命长的聚合物凝胶电解质材料是当前非常活跃的研究领域。

发明内容

针对当前固态电解质存在的电导率低、稳定性差、机械强度不足等问题，本发明提供了一种三臂支化聚合离子液体，并以此作为基体，制备聚合离子液体凝胶电解质，可用于锂离子电池，锂硫电池，锂空气电池等领域。

实现本发明目的的技术解决方案是：

一种三臂支化聚合离子液体，其结构通式为：

其中，R₁为以下结构：

ClO₄^-中的一种。

R₂为以下结构：

中的一种，m为1～7；

R₃为以下结构：

中的一种，m为1～3。

上述结构的三臂支化聚合离子液体的制备方法，步骤如下：

步骤1，氮气条件下，将三羟甲基丙烷与2-溴异丁酰溴进行酰化反应，制备三臂大分子引发剂Ⅰ_b；