[发明专利]一种复合聚合物固体电解质及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合聚合物电解质及其制备方法，该电解质包括高分子聚合物、添加剂和有机锂盐；所述添加剂为表面掺杂有极性原子的颗粒，所述极性原子为富电子原子；所述添加剂的加入量为所述高分子聚合物质量的0.2～20％。本发明通过在复合聚合物电解质中添加掺杂有富电子原子的颗粒作为添加剂，富电子原子的颗粒可以与锂离子发生配位作用，从而破坏锂离子与聚合物的配位作用，降低锂离子对高分子聚合物的传输依赖作用，提升锂离子的自由度，有效提高电解质的离子传输能力，进而提高复合电解质的电导率。

技术领域

本发明涉及聚合物固体电解质技术领域，更具体地，涉及一种复合聚合物固体电解质及其制备方法。

背景技术

气候变化和不稳定的化石燃料资源给人类带来了复杂的挑战。储能和转换在未来将比以往任何时候都更加重要，因为它们可以减少对可再生能源的依赖。在众多的储能技术中，锂离子电池由于高能量密度、寿命长等优势起着重要的作用。随着现在市场对于电池能量密度日益增长的需求，传统的石墨负极限制了进一步发展。与石墨相比，金属锂有着极高的理论容量(3860mAh g-1)，同时有着最低电极电位(相对于标准氢电极为-3.04V)，是下一代锂离子电池负极材料的最佳选择。但是金属锂在传统的液体电解质中会面临严重的枝晶问题。全固态电池可以充分利用金属锂，同时自身的组装优势可以带来更高的能量密度。通常固体电解质可以分为两类：无机电解质和聚合物电解质。无机电解质虽然有着较高的离子电导率，但是其严重的界面问题会带来大的阻抗，从而极大的限制了实际应用。聚合物电解质有着易成膜、成本低等优点，在未来全固态电池中具有良好的应用潜力。但是聚合物电解质有着很大的缺点：离子电导率低。原因在于：1)聚合物的链段运动能力有限，最常见的PEO聚合物电解质容易结晶，不适宜迁移锂离子；2)锂离子的移动依赖于聚合物的极性原子的配位作用，自由度差，本身移动性差。现有技术一般通过共聚、交联等方法提高离子电导率。然而，这些方法大都复杂繁琐，限制了其在实际生产中的应用。

现有的聚合物固体电解质提升电导率的方法，主要聚焦于降低电解质中聚合物结晶度，以提高锂离子的自由度。

发明内容

基于此，为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种复合聚合物固体电解质，通过在复合聚合物电解质中添加掺杂有富电子原子的添加剂，可以与锂离子发生配位作用，从而破坏锂离子与聚合物的配位作用，降低锂离子对高分子聚合物的传输依赖作用，提升锂离子的自由度，有效提高电解质的离子传输能力，进而提高复合电解质的电导率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种复合聚合物电解质，包括高分子聚合物、添加剂和有机锂盐；所述添加剂为表面掺杂有极性原子的颗粒，所述极性原子为富电子原子；所述添加剂的加入量为所述高分子聚合物质量的0.2～20％。优选的，所述添加剂的加入量为所述高分子聚合物质量的1～10％。

在一些实施方式中，所述富电子原子为N、S、P、F中的至少一种。

在一些实施方式中，所述添加剂的平均粒径为2～8nm。

在一些实施方式中，所述添加剂为掺杂N、S、P、F中的至少一种的碳量子点。

在一些实施方式中，所述高分子聚合物选自聚环氧乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚硅氧烷中的至少一种。

在一些实施方式中，所述高分子聚合物的分子量为10⁵～5×10⁶g/mol。

在一些实施方式中，所述锂盐选自高氯酸锂、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂、双三氟磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酸锂和草酸二氟硼酸锂中的至少一种。

本发明的目的之二在于提供上述任一实施方式的复合聚合物固体电解质的制备方法，该方法包括以下步骤：