[发明专利]全固态碱金属电池用有机纳米复合电解质膜及其制备方法

说明书

本发明公开了全固态碱金属电池用有机纳米复合电解质膜及其制备方法，电解质膜包含氧乙烯链段、有机纳米粒子和有机碱金属盐。采用微波原位一步法制备有机纳米粒子复合电解质基体，将其与有机碱金属盐溶于四氢呋喃或乙腈溶剂得悬浊液，流延成膜，真空干燥后得全固态聚合物电解质膜。本发明中氧乙烯链段为碱金属离子的迁移提供必要的通道。有机纳米粒子表面富氧基团能够提供路易斯酸性位点，可促进有机碱金属盐的离解。化学接枝有机纳米粒子可有效降低氧乙烯链段的结晶度，极大地促进金属离子的传输效率。与现有技术相比，本发明采用绿色环保简单便捷的微波原位一步法制备全固态聚合物电解质，且该电解质膜具有更优异的电导率和电池性能。

技术领域

本发明属于碱金属电池的电解质及制备方法技术领域，特别涉及全固态碱金属电池用有机纳米复合电解质膜及其制备方法。

背景技术

近年来，智能手机、平板电脑、机器人、新能源汽车以及航空航天、轨道交通、海洋船舶和医疗器械上的小型电子设备的迅速发展，市场对二次电池的需求越来越大，迫切需求高容量、轻量化、小型化的金属离子电池。因此，开发高能量密度的金属离子电池是科学界和产业界共同面对的巨大挑战。

作为电池的重要组成部分，电解质不仅控制着电池内部离子传输动力学过程，而且从根本上决定着电池的服役范围，影响电池的比能量、倍率充放电性能、循环寿命、安全性能及生产成本等。传统商业化锂电池中的有机液态电解质，因其含有低闪点、低燃点的有机溶剂，导致锂电池在过度充放电、短路、过热和受剧烈撞击时易着火或爆炸。无机固体电解质的离子传导主要发生在无机晶体的间隙或空缺位置，本征脆性大，与电极材料间的异质界面难以控制，界面阻抗大、循环性能差。另外，无机固体物的高强度使其很难应用于外观有柔性易弯曲的锂离子电池。

近年来，聚合物电解质因其具有质量轻、易成膜、粘弹性好等特点，在提高电池能量密度、拓宽工作温度区间、延长使用寿命、提高安全性能等方面呈现很大的优势而备受关注。但因其室温离子电导率较低(10^-6S cm^-1)难以得到实际的应用。通常采用的方法之一为物理共混或化学接枝无机纳米粒子(Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、ZnO等)来提高聚合物基体的电导率。与无机纳米粒子相比，掺杂有机纳米粒子除了可以降低聚合物基体的结晶度从而提高其电导率外，有机纳米粒子表面的含氧官能团能够提供路易斯酸位点，可与金属盐阴离子产生相互作用，从而促进碱金属盐的离解进一步提高电解质基体的电导率。

发明内容

针对电池电导率低和电池性能差的问题本发明提供了一种绿色环保简单便捷的电解质制备方法和电导率高的碱金属电池用全固态电解质膜。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

全固态碱金属电池用有机纳米复合电解质膜，包含氧乙烯链段、有机纳米粒子和有机碱金属盐。其中，含有氧乙烯链段为碱金属离子的传输提供通道，有机纳米粒子可降低氧乙烯链段的结晶度，并与金属盐阴离子产生相互作用，从而促进碱金属盐的离解。

所述的全固态碱金属电池为锂电池、钠电池或钾电池。碱金属电池绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

所述含有氧乙烯链段、有机纳米粒子和有机碱金属盐的质量比为：1:(0.02-0.3):(0.03-0.2)。有机纳米粒子过少对电导率的提高不明显，过多则会阻碍聚合物链段的运动，也会降低电导率。

所述的含氧乙烯链段单体的氧乙烯段数为15-14000。氧乙烯链段单体过少，聚合物基体呈粘流态不易成膜，过多则聚合物基体结晶度太高，链段移动能力差，电导率降低。

所述有机纳米粒子粒径为2-100纳米，元素组成为C、H、O。