[发明专利]一种磁场取向有机改性磁性纳米纤维掺杂制备固态聚合物电解质的方法

说明书

本发明公开了一种磁场取向有机改性磁性纳米纤维掺杂制备固态聚合物电解质的方法，利用磁场取向有机改性磁性海泡石制备了用于全固态锂电池的高离子电导率固态聚合物电解质，在磁场作用下，将有机改性磁性海泡石粒子定向排列到PEO聚合物电解质中，得到具有高离子电导率，高安全的聚合物固态电解质。

技术领域

本发明属于新能源电池材料领域，具体涉及一种磁场取向有机改性磁性纳米纤维掺杂制备固态聚合物电解质的方法。

背景技术

近年来，锂离子电池泄漏、易燃、短路引起爆炸等事故严重威胁着人们的生命财产安全。固态电解质可以取代易燃的有机液体电解液而备受人们的关注。固态电解质是由无机电解质和聚合物电解质(SPEs)两大类组成。无机电解质膜硬度和脆性大，与电极的界面电阻高。聚环氧乙烷(PEO)固态聚合物电解质由于其柔韧性和易于加工而得到广泛认可。然而，离子电导率低、锂枝晶和界面不稳定等几个原因限制了其在工业上的应用。

为了从根本上解决这些问题，国内外的研究人员都进行了大量的努力。解决方案可以分为两大类：有机改性和无机填料掺杂。前者的解决方案是将PEO固态电解质与聚合物或增塑剂复合，以增加锂盐的含量或促进局部非晶化。但是，PEO固态电解质的成膜性、热稳定性和机械强度可能会降低，从而制约PEO固态电解质的发展。另一种策略是在PEO中加入纳米材料来提高离子电导性。纳米材料可以有效地促进PEO的非晶化。此外，纳米材料还可以通过与盐离子和聚合物链段的相互作用来增强Li⁺的传输。

在锂离子电池中，一维纳米线作为固态电解质的填充剂被人们认可。理论上，化学和热稳定性较好的海泡石(Si₁₂O₃₀Mg₈(OH)₄(H₂O)₄·8H₂O，SEP)是一种微晶水合硅酸镁。SEP因其多孔结构和低成本而被广泛使用。作为一种价格低廉的一维纳米材料，其表面含有大量的Si-O基团，这些基团有利于锂盐的离解。此外，海泡石纳米材料的加入可以显著降低聚合物的玻璃化转变温度，提高聚合物的力学性能。

发明内容

本发明旨在提供一种磁场取向有机改性磁性纳米纤维掺杂制备固态聚合物电解质的方法。本发明利用磁场取向有机改性磁性海泡石制备了用于全固态锂电池的高离子电导率固态聚合物电解质，在磁场作用下，将有机改性磁性海泡石粒子定向排列到PEO聚合物电解质中，得到具有高离子电导率，高安全的聚合物固态电解质。

本发明磁场取向有机改性磁性纳米纤维掺杂制备固态聚合物电解质的方法，包括如下步骤：

步骤1：磁性纳米纤维的制备

将一定量的FeCl₃·6H₂O、FeSO₄·7H₂O溶解于去离子水中，在室温下搅拌分散均匀，然后在40℃的剧烈搅拌条件下加入一定量的纳米纤维，搅拌分散均匀，向体系中加入氨水调节pH值，并在50-80℃下水浴搅拌反应，当沉淀物冷却至室温时，用去离子水和乙醇洗涤，获得磁性纳米纤维；

步骤2：有机改性

在室温磁力搅拌条件下，将一定量的磁性纳米纤维分散在去离子水中，然后加入硅烷偶联剂，得到均匀的混合浆料，调节混合浆料的pH值，60-80℃下搅拌加热反应4小时，反应结束后冷却至室温，用去离子水和乙醇多次洗涤沉淀物，获得改性纳米纤维；

步骤3：固态聚合物电解质的制备

将PEO、LiTFSI和改性纳米纤维在溶剂中混合搅拌，在室温下形成均质溶液，然后浇铸于PVDF模具中，在室温下置于磁场中一段时间，待溶剂挥发之后置于60-100℃真空烘箱中，-0.05到-0.1MPa压力下保持12-24小时，得到固态聚合物电解质。通过负极-固态电解质-正极制备的纽扣电池进行电学性能的测试。负极选用锂、钠、锌等金属中的一种，正极选用磷酸铁锂、钴酸锂、三元活性材料中的一种。