[发明专利]一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用

说明书

一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用。所述固态聚合物电解质由聚合物基质，聚合物纳米粒子，无机氧化物添加剂与锂盐组成；其制备方法是在溶有锂盐、无机氧化物添加剂、苯乙烯单体、链转移剂和引发剂的聚合物基质中，使用聚合诱导自组装法，在聚合物基质中原位合成聚合物纳米粒子，从而得到固态聚合物电解质。本发明的优点是：该固态聚合物电解质具有优秀的室温离子电导率，热稳定性和电化学稳定性；采用一锅法高效合成，步骤简单；产物可直接组装入锂金属二次电池，组装成的锂金属二次电池具有优异的循环性以及安全性，在下一代锂金属二次电池中有良好的发展前景。

技术领域

本发明属于锂电池聚合物电解质技术领域，具体涉及一种固态聚合物电解质的高效制备方法及应用。

背景技术

锂二次电池具有较高的能量密度、功率密度和良好的循环性能。诸多优点使得其在便携式设备和电动车等领域的应用愈发广泛，对其性能要求越来越高。传统锂离子二次电池使用石墨材料作为负极，其较低的理论容量限制了锂离子电池的能量密度，故诸多研究人员都将目光集中于使用高容量金属锂作为负极的锂金属二次电池(NatureNanotechnology,2017,12(3):194-206.)。目前，国内外商品化锂电池多使用非水系电解液作为电解质。非水系电解液高度易燃、易挥发且易渗漏。这些安全隐患使非水系电解液不能满足锂金属二次电池的要求。同时，以金属锂作负极的锂金属二次电池在循环过程中更易生成锂枝晶，导致电池内部短路的可能性更高，故发展安全、高效、制备简便且能有效抑制锂枝晶生长的可用于锂金属二次电池的新型电解质显得尤为重要。

对聚合物电解质的研究可以追溯到1973年(Polymer,1973,14(11):589.)。与非水系电解液相比，聚合物电解质拥有更显著的安全性。目前被广泛报道的聚合物电解质基质材料有聚乙二醇、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯和聚碳酸酯等。按是否加入增塑剂区分，聚合物电解质可分为凝胶聚合物电解质和固态聚合物电解质。凝胶聚合物电解质的组成一般为聚合物基质、锂盐和作为增塑剂的非水系电解液，其离子电导率较高，但由于含有电解液，依旧存在严重的安全隐患(Journal of Materials Chemistry A,2015,3(38):19218-19253.)。固态聚合物电解质不含增塑剂，保证了材料的安全性，但提升其离子电导率是一大挑战。为改善固态聚合物电解质离子电导率，可以在聚合物基质中引入添加物。例如张强等人将Al掺杂的Li_6.75La₃Zr_1.75Ta_0.25O₁₂微粒引入聚乙二醇基质中，有效提高了聚合物基质的离子电导率(Proceedings of the National Academy of Sciences,2017,114(42):11069-11074.)。然而固态聚合物电解质的室温离子电导率仍较难突破10^-4S/cm，不能满足在电池中的应用。此外，绝大多数固态聚合物电解质均采用溶剂浇铸法制备，即将聚合物基质、锂盐和添加剂等物质分散于乙腈、四氢呋喃等有机溶剂中，再将此溶液浇铸入模具，缓慢挥发溶剂而制得。这种传统制备过程使用大量有机溶剂，且繁琐不环保。因而发明制备方法简便，室温离子电导率高，适用于锂金属二次电池的固态聚合物电解质十分重要。

发明内容

本发明目的是解决现有固态聚合物电解质室温离子电导率低且制备过程使用大量有机溶剂而不环保的问题，提供一种含有聚合物纳米粒子的固态聚合物电解质及其制备方法和应用。

相比于无机添加物，聚合物纳米粒子与聚合物基质有更优的相融性。使用聚合诱导自组装法，可以在高浓度下同时完成嵌段共聚物的合成与自组装，原位合成嵌段共聚物纳米粒子。该方法高效便捷，可控性好。本发明运用聚合诱导自组装法，在溶有锂盐、无机氧化物添加剂、苯乙烯单体、链转移剂、引发剂的聚合物基质中原位合成嵌段共聚物纳米粒子，得到的固态聚合物电解质具有优良的离子电导率，较高的热学和电化学稳定性，且该固态聚合物电解质可以直接组装于锂金属二次电池中，不需使用溶剂浇铸法，同时抑制锂枝晶的生长，具有较优的电池循环性能。