[发明专利]一种聚合物电解质、制备方法和在锂离子电池中应用

说明书

本发明提供了一种聚合物电解质、其制备方法及在锂离子电池中应用。首先利用点击反应(Click Reaction)合成所设计的烷基丙磺酸锂单体，然后使用不同化学溶剂和步骤纯化单体，再将纯化单体与聚合物基体、锂盐共混加热，经过在多孔纤维隔膜上刮涂并完全浸润、干燥，制得聚合物电解质膜。本发明所制备的聚合物电解质膜具有高的离子电导率和锂离子迁移数，并具有良好的电化学与机械稳定性，该方法对于提升锂离子电池安全性能和使用寿命具有显著效果。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种聚合物电解质、制备方法和在锂离子电池中应用。

背景技术

随着能量存储技术在便携式电子设备、电动汽车和电网储能等领域快速更迭，具有高比容量、无记忆效应和循环寿命长等优点的锂离子电池受到广泛关注，在推进产业升级和国民经济健康、绿色发展方面发挥着重要作用。传统锂离子电池使用石墨作为负极(理论容量372 mAh/g)，液体电解质作为离子传输的介质，但是液体有机电解质存在易泄漏、易燃烧等安全隐患，而石墨负极则存在能量密度低的问题。

为了进一步提高锂离子电池的能量密度，采用锂金属(理论容量3860mAh/g)作为负极具有非常大的应用前景。但是由于锂金属的化学性质活泼，在电池充放电过程中易与液体电解质发生化学反应，形成不可逆的电解质界面层(SEI)，使容量不断下降。此外，锂金属负极表面凹凸不平，存在许多突起，由于尖端效应在突起处的电子电荷分布变多，导致更多的 Li⁺被吸引而发生不均匀沉积形成锂枝晶和“死锂”，不可控的锂枝晶生长极有可能刺穿隔膜导致正负极短路，引发电池过热、燃烧，甚至爆炸风险。

使用聚合物电解质可以克服液体电解质电池存在的泄漏、内部短路、过热和燃烧等安全问题。聚合物电解质具有比较好的电化学稳定性，不易与锂金属反应，而优异的机械性能一定程度上可抑制锂枝晶的生长和刺穿。此外，良好的柔性能够使聚合物电解质紧密贴合锂金属负极和正极材料，致密的结构能够一定程度上引导锂离子在锂金属负极表面的均匀沉积。但是，常规聚合物电解质为双离子传导，短链阴离子锂盐溶解在聚合物主体中，其中锂离子及其配对的阴离子皆可移动。由于锂离子与聚合物基体Lewis碱性位点高度耦合，使锂离子的迁移速率低于其对应的阴离子，最终降低聚合物电解质的锂离子迁移数(LTN)。此外，随着电池充放电过程的进行，阴离子较快速地传递使其在阳极侧积聚产生浓度梯度，使得锂离子电池产生浓差极化，导致较大的过电势和内部阻抗，限制了锂离子电池能量密度和功率密度的提升。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种聚合物电解质、制备方法和在锂离子电池中应用。本发明提出了一种烷基磺酸锂交联结构聚合物电解质，通过引入两性离子结构，构建氢键和离子-偶极子相互作用，降低聚合物电解质内部负电荷密度，促进Li⁺的迁移，阴离子受体与聚合物主链共价连接，有效固定阴离子运动，增强聚合物电解质的电化学和热稳定性，提高锂离子迁移数和离子电导率，使用多孔纤维隔膜作为支撑载体增强了电解质的机械性能，由所述聚合物电解质组装的锂离子电池电化学性能优良，充放电循环稳定。

一种聚合物电解质，所述聚合物电解质包括以下组成部分以及相对于所述聚合物电解质总质量的组成比例：

(1)10-50wt％的磺酸锂化合物组分，所述磺酸锂化合物组分为第一磺酸锂型化合物与硅酸四烷基酯的缩合产物、以及任选的第二磺酸锂型化合物；

硅酸四烷基酯对第一磺酸锂型化合物与第二磺酸锂型化合物之和的摩尔比为1:10～50，

第一磺酸锂型化合物和第二磺酸锂型化合物各自独立地由下式I、式II或式III表示：

在式I中，R为H、甲基、C4-C8烷基或硅酸烷基；优选R为H；条件是对于第一磺酸锂型化合物R＝H。优选地，n是选自2～8的整数。优选n是选自4～8的整数。优选n为4。