[发明专利]一种聚芳醚酮单离子聚合物和单离子凝胶聚合物电解质

说明书

本发明提供了一种聚芳醚酮单离子聚合物，具有如下式(II)的结构式。本发明将具有高解离度的有机锂盐苯乙烯磺酰(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiSTFSI)接枝在聚芳醚酮上，使阴离子固定在聚芳醚酮基体上，因此体系中只有锂离子移动，从而提高电池的电化学性能和稳定性。本发明还提供了一种单离子凝胶聚合物电解质，将聚芳醚酮单离子聚合物与功能性聚合物进行溶液共混之后再加入适量增塑剂制得。所制得的单离子凝胶聚合物电解质使锂离子电导率和热稳定性都得到了很大的提升，具有优异和稳定的电池性能及广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于锂电池应用技术领域，具体涉及一种聚芳醚酮单离子聚合物以及由其制成的单离子凝胶聚合物电解质。

背景技术

随着社会工业经济的快速发展，人类在短时间内消耗了大量的石油、煤和天然气等不可再生能源，造成了严重的能源短缺及环境污染问题。这些问题在21世纪已经严重制约了全球经济发展，因此发展持续高效的清洁能源是目前学术界和工业界的重点研究领域之一。锂离子电池(Lithium ion battery,LIB)是一种能量密度大、循环稳定性好及对环境友好的可充电电能存储装置。目前为止，锂离子电池在便携式电子设备、电动汽车及智能电网等领域已有广泛应用。

锂离子电池通常包含隔膜，以防止正负极之间相互接触而短路。隔膜在此过程中虽然不参与电化学反应，但也是其中的关键成分之一，它与电解液对电池的容量、工作温度范围、循环稳定性及安全问题起着重要的影响。目前商业化锂离子电池一般使用液态电解液及多孔聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)隔膜。锂金属二次电池在充放电过程中会涉及到锂离子的剥离/沉积，在传统以多孔型PP/PE隔膜体系中，由于电解液中阴阳离子迁移速率的不同而产生浓差极化，使锂金属负极表面形成不稳定晶核，从而形成锂枝晶，这引起了锂金属电池安全性差、库仑效率低、使用寿命短等问题。此外，使用液态电解液会引起电池电解液的泄露及燃烧等严重的安全问题。这些问题都严重阻碍锂金属二次电池商业化的进程。单离子聚合物电解质(single-ion polymer electrolyte，SIPE)将阴离子基团以共价键的形式固定在聚合物上，使体系中只有锂离子移动。在充放电过程中锂离子能够更加均匀的沉积，缓解锂枝晶的形成。同时，能够克服锂离子电池中电解液的泄露问题，改善锂离子电池的安全性。因而，采用SIPE取代传统隔膜能够在一定程度上解决锂枝晶问题，提高了锂离子电池的电池性能及安全性。

SIPE的特点是电解质体系中不含增塑剂，可以避免有机溶剂泄露引发的安全问题。还能在一定程度上调控锂离子的均匀沉积，从而起到对负极的保护作用。单离子凝胶聚合物电解质(SIGPE)结合了单离子聚合物电解质和电解质溶液的优点，在电解质中几乎没有游离的有机溶剂，锂离子又能以类似电解液中锂离子的传导方式进行迁移。从而使SIGPE既改善了电池安全性，又具有高的离子电导率。因此，SIGPE一直以来被科研工作者深入研究，希望在安全性要求较高的电动车、电动工具、军事和航天器等领域进行应用。

传统方法所制得的SIGPE在室温下的离子导电率虽然能达到2.67×10^-3S cm^-1，在室温下，不能同时满足高离子电导率及高稳定性等性能需要，这些问题直接制约着SIGPE的进一步应用。有研究人员研制了可用于锂离子电池隔膜的改性聚芳醚酮，聚合物具有良好的热稳定性，其烯丙基双键可作为活性基团引入到聚合物分子链中，提供了活性位点。但按照此方法制备得到的隔膜所组装的电池在充放电过程中会产生浓差极化，因此电池的安全性和循环性能仍不能令人满意。

采用柔性聚合物或单体与锂盐反应制备单离子聚合物，虽然有许多热稳定性好的刚性聚合物，但由于刚性聚合物链段运动较差，很少将其应用于单离子聚合物中。现有技术中关于SIGPE的技术，有将锂盐共聚在聚合物的主链上制备单离子聚合物，用其组装的电池锂离子迁移率不高，影响电池的电化学性能。

发明内容