[发明专利]一种分子筛咪唑框架掺杂聚合物固态电解质及其制备方法

说明书

本发明公开了一种分子筛咪唑框架掺杂聚合物固态电解质及其制备方法。所述分子筛咪唑框架掺杂聚合物固态电解质包括聚合物本体以及吸附离子液体的多孔分子筛咪唑框架填料和锂盐。其中,吸附离子液体的多孔分子筛咪唑框架填料能够为聚合物固态电解质提供更多的导锂离子通路，也能降低聚合物的结晶度从而提高其离子电导率；同时，分子筛咪唑框架填料表面的路易斯酸性质也能加速电解质中锂盐的解离，有利于锂离子的迁移，提高电解质的锂离子迁移数。本发明制备方法简单、高效、易规模化生产，一致性好,能够保证制备的分子筛咪唑框架掺杂聚合物固态电解质性能和质量的稳定。

技术领域

本发明属于固态锂离子电池技术领域，具体涉及一种分子筛咪唑框架掺杂聚合物固态电解质及其制备方法。

背景技术

具有能量密度高、功率大、循环寿命长、无污染等特点的锂离子电池作为纯电动车动力能源，表现出巨大的发展潜力。作为锂离子电池的重要组成部分，电解质直接影响电池的容量、安全性和循环性等性能指标。目前，含锂盐的有机液态电解质作为最普遍的商用电解质，虽然锂盐溶解性好、离子电导率高，但含有大量易挥发、易燃、易分解的有机溶剂，在电池短路、过充或热失控等条件下，将快速分解并释放可燃性气体，从而加速正负极材料的分解，造成热失控并引发自燃或爆炸。最近发生的特斯拉电动汽车自燃以及国内多起电动车起火事件都与有机液态电解质的易燃、易爆的安全隐患相关。

相比于有机液态电解质，阻燃能力强的固态电解质具有不易燃烧、无可燃液体泄漏、可消除电解液腐蚀等优势，能够大幅提高电池安全性；还具有良好的机械性能并有效抑制锂金属负极的枝晶生长；简化电池的装配工序并有效利用电池空间，能够减轻电池重量从而提高能量密度和生产效率、降低生产成本。因此，固态电解质既能满足锂离子电池高能量密度的需求，又符合安全性要求。

目前，以聚氧化乙烯(PEO)为主体的聚合物固态电解质研究较为广泛并实现商业化生产。该类聚合物固态电解质具有良好的界面兼容性，尺寸可加工性强、柔韧性良好、能够很好地适应电极材料充放电过程中的体积变化等优点，不仅有利于提高锂离子电池的安全性，还可以使锂离子电池朝微型化、轻型化和高能量密度等方向发展。然而，该聚合物固态电解质室温离子电导率较低(10^-6S/cm)，难以有效发挥电池容量；机械强度较低，难以有效抑制锂枝晶生长。为了改善聚合物电解质的离子电导率等电化学性能，无机粒子填料的加入得到了广泛关注。在改善聚合物电解质电化学性能方面，无机粒子填料的作用主要有三点：首先，阻碍链缠绕，降低链的结晶；其次，极性填料可以起到促进锂盐解离的作用；最后，填料表面与链相互作用，利于形成快速的导锂离子通道。近年来，TiO₂，Ni₃B₂O₃等纳米粒子填料的加入使得聚合物电解质的离子电导率提升至10^-5S/cm以上(Oxygen vacancies onsurface of the TiO2 fillers hinder Li+conduction in PEO all-solid-stateelectrolyte.Ionics,2022,28,85-97；Lowering the operating temperature of PEO-based solid-state lithiumbatteries via inorganic hybridization.Ionics,2022,29,779-788)。相比纯实心无机纳米填料，与聚合物相容性更好、比表面积更大的HKUST和ZIF-8等多孔金属有机框架纳米填料的加入也能够进一步提高其离子电导率(Metalorganic frameworks enabled rational design of multifunctional PEO-based solidpolymer electrolytes.Chemical Engineering Journal,2021,414,128702；Exploringporous zeolitic imidazolate frame work-8(ZIF-8)as anefficient filler forhigh-performance poly(ethyleneoxide)-basedsolid polymer electrolytes.NanoResearch,2020,13,2259-2267)，但仍难以满足固态电池在室温条件下正常运行对于离子电导率的要求。