[发明专利]一种Janus刷形聚合物电解质及其制备与应用

说明书

本发明属于聚合物电解质领域，具体公开了一种Janus刷形聚合物电解质及其制备与应用，该聚合物电解质具有主链、以及同时接枝在主链上的两种不同类型的侧链，这两种不同类型的侧链分别为柔性侧链和刚性侧链，并且，主链的链段长度大于任意一种侧链。主链可优选为聚丙烯酸酯链，两种侧链分别优选为聚氧化乙烯链和聚苯乙烯链。本发明通过对刷形聚合物关键的化学结构进行改进，同时引入柔性侧链和刚性侧链将这两种不同类型的侧链接枝在主链上，得到具有特定拓扑结构的Janus刷形聚合物电解质，既能够提高聚合物电解质的离子电导率，又可赋予电解质良好的热稳定性与力学强度。

技术领域

本发明属于聚合物电解质领域，更具体地，涉及一种Janus刷形聚合物电解质及其制备与应用，该Janus刷形聚合物电解质具有双侧链特点。

背景技术

锂离子电池因其能量密度高、输出功率大、充电效率高、环境友好等优点，已成为人们生活中不可或缺的二次能源系统。然而，目前商业化锂电池通常采用的液态电解质因含有易挥发的有机溶剂，导致其在使用过程中面临着泄露、爆炸等安全隐患。因此，亟需开发安全性更高的固态聚合物电解质体系替代现有的液态电解质体系。

按照基体的种类，固态聚合物电解质可以分为聚氧化乙烯(即聚乙二醇)类、聚丙烯腈类和聚甲基丙烯酸甲酯类等。其中，聚氧化乙烯具有成本低、易制造、安全性高、电化学稳定性好、能量密度高、与锂盐相容性好等优点，已成为最具应用潜力的电解质体系。然而，线性聚氧化乙烯的高结晶度导致其离子电导率普遍偏低。为抑制聚氧化乙烯的结晶行为，研究人员通常采用共混、杂化、复合和共聚等方法破坏其聚合物链的对称性，改善聚氧化乙烯基电解质的离子电导率。具有独特拓扑结构的刷形聚合物不仅具有非晶性，且短而密集的侧链还拥有出色的链段运动能力，能有效地促进离子传导，是良好的电解质基体材料。

此外，线性聚氧化乙烯的力学强度较低，不足以抑制阳极表面锂枝晶的生长，难以保障电池的稳定循环。为此，研究人员通常选择引入刚性链段以增强聚氧化乙烯基电解质的力学强度(ACS Applied Energy Materials 2019,2,1608-1615)。然而，目前通过嵌段或共混方法引入刚性链段通常会牺牲电解质的部分电化学性能。研究表明，尽管线性嵌段聚合物电解质具有较好的机械性能，但是其室温离子电导率通常仅有10^-6S cm^-1(Journal ofPolymer Science Part B 2014,52,1-16)。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种Janus刷形聚合物电解质及其制备与应用，其中通过对刷形聚合物关键的化学结构进行改进，同时引入柔性侧链(尤其是聚氧化乙烯链)和刚性侧链(如，聚苯乙烯链段)将这两种不同类型的侧链接枝在主链上(可进一步配合对主链与双侧链的长度等结构的优选设计)，并进一步对相应制备方法的整体合成路线设计、各个工艺步骤的参数条件等进行改进，得到具有特定拓扑结构的Janus刷形聚合物电解质；不同于现有技术嵌段或共混方法引入刚性链段，本发明中，一方面，Janus刷形结构能更有效地破坏线性聚氧化乙烯的对称性，抑制其结晶，从而提高聚合物电解质的离子电导率；另一方面，Janus刷形聚合物电解质整体具有良好的热稳定性与力学强度。由于本发明能够更好地调控聚氧化乙烯基聚合物电解质的力学强度和离子电导率，将本发明中的聚合物电解质应用于锂离子电池，可以得到具有优良电化学性能聚合物电解质膜。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种Janus刷形聚合物电解质，其特征在于，该聚合物电解质具有主链、以及同时接枝在主链上的两种不同类型的侧链，这两种不同类型的侧链分别为柔性侧链和刚性侧链，并且，主链的链段长度大于任意一种侧链。

作为本发明的进一步优选，所述聚合物电解质的主链为聚丙烯酸酯链，两种侧链分别为聚氧化乙烯链和聚苯乙烯链；

并且，所述主链上每一重复单元的其中一个碳原子上同时连接有聚氧化乙烯和聚苯乙烯这两种侧链；所述聚合物电解质具有如式(一)所示的结构：