CN102610857A - 一种聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜的制备方法，其技术特征为：通过溶解－拉膜法制备PEO为基质，锂盐为方酸锂硼盐，对称星形醚STEO为增塑剂的凝胶聚合物电解质膜。其配方为：聚合物PEO为质量百分比为20%～35%，方酸锂硼盐质量百分比为15%～30%，对称星形醚STEO质量百分比为50%。所得新型凝胶的聚合物电解质膜的成膜性、离子电导率、整个体系的机械性能以及空间稳定性均比较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜的制备方法。
背景技术
聚合物电解质是由高聚物与无机盐生成的具有离子导电能力的高分子络合物，具有良好的机械性能和体积应变性、质量轻、比能量高以及消除漏液等优点。自Wright等发现聚氧化乙烯与碱金属离子络合的导电性以来，研究人员对聚合物电解质在制备、改性和应用方面做了大量工作，但聚合物电解质电导率普遍偏低，通常可由结晶度较低的聚合物基体合成锂盐，通过添加增塑剂和使用无机粒子等方法来提高聚合物电解质的电导率；另外，对于锂离子电池而言，不仅要有较高的电导率，同时也应具有较大的锂离子迁移数，这样才可保证充放电过程中不易发生浓差极化而影响电池的性能，研究表明聚合物电解质体系的锂离子迁移数与电解质基体和锂盐的结构密切相关，鉴于目前聚合物电解质所存在的离子电导率较低，离子迁移数较小的现状，本专利设计以合成的新型锂盐-方酸锂硼盐LiB(C4O4)2，以及利用对称星形醚STEO为增塑剂，并以聚氧化乙烯为基体制备新型凝胶聚合物电解质，可有效的提高聚合物电解质锂离子迁移数及其电导率。
发明内容
本发明的首要目的在于制备一种电导率相对较高的聚合物电解质，提高锂离子聚合物电解质的锂离子迁移数(tLi +)，本发明提出了一种对称星形醚STEO，其作为增塑剂使用，能改善锂盐与基体聚氧化乙烯体系的相容性，可提高电解质体系的锂离子电导率；本发明设计合成了一种的电解质方酸锂硼盐，属于锂硼盐体系，其阴离子较大，电荷具有离域性，这样的锂盐溶解度较大，电离程度高，锂离子的迁移性大，将其制备成聚合物电解质，聚合物电解质的锂离子迁移数(tLi +)会变大，电导率将会大大得以提高；此外，该发明还揭示增塑剂对称星形醚STEO的用量对聚合物电解质的离子电导率影响较大，增塑剂的用量超过一定量后离子电导率则开始下降。
本发明采用如下技术方案：
聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)首先制备电解质方酸锂硼盐：LiB(C4O4)2，其结构式如下：
(2)制备凝胶聚合物电解质膜：将聚氧化乙烯、方酸锂硼盐和增塑剂对称星形醚STEO加入到乙腈与乙醇的混合溶液中，所述的聚氧化乙烯为质量百分比为20％-35％，方酸锂硼盐质量百分比为15％-30％，对称星形醚STEO质量百分比为50％，经磁力搅拌10-14h得到分布均匀的溶液后，将其倒于铺有一层铝箔纸的玻璃板上，将聚合物电解质用刮刀涂布成30mm的凝胶态薄膜层；
(3)将步骤(2)中的凝胶态薄膜层放置于干燥器中，室温下放置24h，溶剂自然缓慢挥发，再将电解质膜放入真空干燥箱中常温干燥22-26h，再升温至45-55℃干燥45-50h，即可得到聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜。
所述的聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中增塑剂对称星形醚STEO，是由季戊四醇与2-氯乙基甲醚按照摩尔比1∶4加入到二甲基亚砜溶剂里并加入固体氢氧化钠，在60℃条件下磁力搅拌3h，然后过滤减压提纯取148℃、130Pa馏分而得；其具体结构如下：
本发明原理：方酸锂硼盐结构中，由于锂离子半径很小，而阴离子半径较大，从而所形成的盐离解能小而容易电离；另外，通过增大锂盐阴离子的体积，有助于提高锂离子的迁移数，将方酸锂硼盐制备成以聚氧化乙烯基体，对称星形醚STEO为增塑剂的聚合物电解质，聚氧化乙烯具有溶解锂离子，会加快离子迁移的能力；此外，利用聚合物的弯曲链把对阴离子包围住或者让对阴离子成为聚合物的一部分，从而抑制了对阴离子的移动，结果会使锂离子的迁移数大大增加，电导率得以提高。
本发明相对于其它聚合物电解质的制备具有以下优点：
(1)、本发明制作设备简易，只需要如研钵、刮刀、铝箔、打片器等简单的工具便可制作；
(2)、本发明所述方酸锂硼盐是自己合成的，其本身结构决定了离子电导率较高，制备成聚合物电解质后会有良好的电化学性能，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明凝胶聚合物电解质膜的制备流程图。
图2为聚氧化乙烯+方酸锂硼盐+对称星形醚STEO体系不同组分的电导率关系图，图中LBSQ为方酸锂硼盐。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
按2∶3∶5(w/w)的比例称取聚氧化乙烯、方酸锂硼盐和对称星形醚STEO，将此混合物溶解在一定量的乙腈与乙醇的混合溶液中，经磁力搅拌12h得到分布均匀的溶液后，将其倒于铺有一层铝箔纸的玻璃板上，将聚合物电解质用刮刀涂布成30mm厚度的凝胶态薄膜层，后放置于干燥器中，室温下放置24h，以蒸发膜中的乙腈和乙醇和部分的对称星形醚STEO，然后放入真空干燥箱中干燥以蒸发膜中的乙腈和剩余的对称星形醚STEO，干燥的膜片存于干燥器中备用，即得到GPE-20薄膜。将干燥膜称重后放入乙腈和乙醇混合液中浸渍2h后取出，称取湿膜的重量，根据膜的体积及干湿膜的质量差即可计算出膜的孔隙率。
实施例2：
按2.5∶2.5∶5(w/w)的比例称取聚氧化乙烯、方酸锂硼盐和对称星形醚STEO，将此混合物溶解在一定量的乙腈与乙醇的混合溶液中，经磁力搅拌12h得到分布均匀的溶液后，将其倒于铺有一层铝箔纸的玻璃板上，将聚合物电解质用刮刀涂布成30mm厚度的凝胶态薄膜层，后放置于干燥器中，室温下放置24h，以蒸发膜中的乙腈和乙醇和部分的对称星形醚STEO，然后放入真空干燥箱中干燥以蒸发膜中的乙腈和剩余的对称星形醚STEO，干燥的膜片存于干燥器中备用，即得到GPE-25薄膜。
实施例3：
按3∶2∶5(w/w)的比例称取聚氧化乙烯、方酸锂硼盐和对称星形醚STEO，将此混合物溶解在一定量的乙腈与乙醇的混合溶液中，经磁力搅拌12h得到分布均匀的溶液后，将其倒于铺有一层铝箔纸的玻璃板上，将聚合物电解质用刮刀涂布成30mm厚度的凝胶态薄膜层，后放置于干燥器中，室温下放置24h，以蒸发膜中的乙腈和乙醇和部分的对称星形醚STEO，然后放入真空干燥箱中干燥以蒸发膜中的乙腈和剩余的对称星形醚STEO，干燥的膜片存于干燥器中备用，即得到GPE-30薄膜。
实施例4：
按3.5∶1.5∶5(w/w)的比例称取聚氧化乙烯、方酸锂硼盐和对称星形醚STEO，将此混合物溶解在一定量的乙腈与乙醇的混合溶液中，经磁力搅拌12h得到分布均匀的溶液后，将其倒于铺有一层铝箔纸的玻璃板上，将聚合物电解质用刮刀涂布成30mm厚度的凝胶态薄膜层，后放置于干燥器中，室温下放置24h，以蒸发膜中的乙腈和乙醇和部分的对称星形醚，然后放入真空干燥箱中干燥以蒸发膜中的乙腈和剩余的对称星形醚STEO，干燥的膜片存于干燥器中备用，即得到GPE-35薄膜。
实施例5：
1.方酸锂硼盐的制备步骤：
i.一水合氢氧化锂0.84g，硼酸1.24g，方酸2.28g，一并加入80ml的三口烧瓶，向其中加入水20ml，并向三口烧瓶中通入氩气保护，慢慢升温搅拌到50℃，溶液变为澄清，然后升温至回流(1d)，蒸出水15ml使其成为回流状态时的饱和溶液，停止反应；
ii.将上述反应产物转移到2℃的冰箱中冷却结晶，得到白色固体，抽虑，固体转移到真空干燥箱中烘干(100℃，2d)，取出固体，用乙腈重结晶3次，产物放入真空干燥箱中80℃(12h)，110℃(4h)，最终得白色固体-方酸锂硼盐。
2.聚合物电解质膜的制备过程：
聚氧化乙烯和方酸锂硼盐在使用前分别在50℃和80℃下真空干燥72h，乙腈和对称星形醚STEO使用前利用分子筛除水干燥。将定量的对称星形醚STEO、聚氧化乙烯和方酸锂硼盐加入到乙腈与乙醇的混合溶液中，经磁力搅拌12h得到分布均匀的溶液后，将其倒于铺有一层铝箔纸的玻璃板上，将聚合物电解质用刮刀涂布成一定厚度的凝胶态薄膜层，后放置于干燥器中，室温下放置24h，让溶剂缓慢自然挥发，然后将电解质膜放入真空干燥箱中常温干燥24h，再升温至50℃干燥48h，即得到聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜。
所述的溶剂为乙腈和乙醇的混合物溶剂；所述的电解质锂盐为方酸锂硼盐。
上述实施方案1-4得到的凝胶聚合物电解质膜的电导率如下表所示：
表1聚氧化乙烯+方酸锂硼盐+对称星形醚STEO体系不同组分的电导率关系
表1
Claims (2)
1.一种聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）首先制备电解质方酸锂硼盐：LiB(C4O4)2，其结构式如下：
（2）制备凝胶聚合物电解质膜：将聚氧化乙烯、方酸锂硼盐和增塑剂对称星形醚STEO加入到乙腈与乙醇的混合溶液中，所述的聚氧化乙烯为质量百分比为20%-35%，方酸锂硼盐质量百分比为15%-30%，对称星形醚STEO质量百分比为50%，三者合计100%，经磁力搅拌10-14h得到分布均匀的溶液后，将其倒于铺有一层铝箔纸的玻璃板上，将聚合物电解质用刮刀涂布成30mm的凝胶态薄膜层；
（3）将步骤（2）中的凝胶态薄膜层放置于干燥器中，室温下放置24h，溶剂自然缓慢挥发，再将电解质膜放入真空干燥箱中常温干燥22-26h，再升温至45-55℃干燥45-50h，即可得到聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜。
2.根据权利要求1所述的聚氧化乙烯基凝胶聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）中增塑剂对称星形醚STEO，是由季戊四醇与2-氯乙基甲醚按照摩尔比1:4加入到二甲基亚砜溶剂里并加入固体氢氧化钠，在60℃条件下磁力搅拌3h，然后过滤减压提纯取148℃、130Pa馏分而得；其具体结构如下：
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