CN105762409A - Poss复合多孔凝胶聚合物电解质及采用静电纺丝制备的方法 - Google Patents

Poss复合多孔凝胶聚合物电解质及采用静电纺丝制备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种POSS复合多孔凝胶聚合物电解质及采用静电纺丝制备的方法，其特征在于原料组份为：POSS杂化材料1重量份，聚合物基体4～20重量份，聚合物溶剂16～230重量份；所述凝胶聚合物电解质的制备方法为静电纺丝。所述的POSS杂化材料为氯丙基POSS(POSS?(C3H6Cl)8)和八臂星型POSS聚合物POSS?(PMMA)8共混物。本发明提出的静电纺丝制备的POSS复合多孔电解质具有高的吸液率，引入的POSS杂化材料可提高隔膜热机械性能及凝胶聚合物电解质的离子传输性能。本发明的POSS复合多孔凝胶聚合物电解质能够满足作为锂离子电池电解质对离子电导率的要求。

Description

POSS复合多孔凝胶聚合物电解质及采用静电纺丝制备的方法
技术领域
本发明属于凝胶聚合物电解质制备技术领域，涉及一种POSS复合多孔凝胶聚合物电解质及采用静电纺丝制备的方法。
背景技术
随着能源危机及环境污染问题的不断加剧，大力开发绿色新能源，特别是适合于以混合动力或纯电动汽车为代表的新型低碳环保、成本低廉的动力新能源是全球新能源领域的重要发展方向。锂离子电池因具能量密度较大、相对安全、污染小等优势引起大家广泛关注并已用于手机、笔记本电脑、电动车等领域，但是目前的锂离子电池还存在续航距离和循环寿命较短、倍率充放电性能较差，从而限制其作为大功率充放电的汽车动力电池的使用。凝胶聚合物电解质作为锂离子电池的关键材料，材料的种类、隔膜的组成与形貌均是影响电解质电导率、热机械稳定性等性能的关键因素，所以设计并制备新型凝胶聚合物电解质，使其在保证电池组装性能、安全性能的条件下，最大幅度提高其离子传输性能、电化学稳定性等，就成为当前该领域研究的热点和难点之一。
笼型低聚倍半硅氧烷(POSS)作为一类具有笼状结构的有机-无机杂化纳米材料，有机结构部分可以使其在聚合物中分子级别的分散，并与聚合物保持良好的界面作用，而无机Si-O键组成的笼型核结构类似无机二氧化硅，具有高的热、机械稳定性；同时尺寸为1-1.5nm的POSS笼型核结构还可以为凝胶聚合物电解质提供分子级别的纳米孔，吸附更多的电解液，为锂离子传输提供通道。
静电纺丝工艺具有纺丝原材料适用广泛、纤维直径可控、纤维薄膜孔隙小、孔隙率高、形貌易于控制等特点；常用以获得具有三维孔结构的纳米纤维多孔膜，是当前制备多孔结构薄膜、优化薄膜性能的有效方法；且与其他方法相比，通过静电纺丝制备的多孔纳米纤维薄膜凝胶电解质具有较高的离子电导率以及良好的电化学稳定性。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种POSS复合多孔凝胶聚合物电解质及采用静电纺丝制备的方法，利用氯丙基POSS(POSS-(C3H6Cl)8)和星型POSS聚合物八臂聚甲基丙烯酸甲酯POSS(POSS-PMMA8)的共混物作为改性剂，采用静电纺丝的方法制备POSS复合多孔得到电化学性能良好的凝胶聚合物电解质。
技术方案
一种POSS复合多孔凝胶聚合物电解质，其特征在于原料组份为：POSS杂化材料为1重量份，聚合物基体为4～20重量份，聚合物溶剂为16～230重量份；所述POSS杂化材料为氯丙基POSS(POSS-(C3H6Cl)8)与八臂星型POSS聚合物POSS-(PMMA)8的共混物，其中POSS-(PMMA)8的质量百分数ω范围为0＜ω＜100。
所述聚合物基体为聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈或聚偏氟乙烯，或上述三种聚合物的任意质量比的共混物。
所述聚合物溶剂为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)或者二甲基亚砜(DMSO)。
一种采用静电纺丝制备POSS复合多孔锂离子电池凝胶聚合物电解质的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将POSS杂化材料和聚合物在于60～70℃真空烘箱中干燥12～24h；采用聚合物溶剂进行减压蒸馏或蒸馏，并加入分子筛静置12h以上；
步骤2：将聚合物基体溶于20～70℃聚合物溶剂中并搅拌形成聚合物溶液，再加入POSS杂化材料继续加热搅拌，待POSS杂化材料完全溶解得到纺丝液；
步骤3：静电纺丝步骤2中的纺丝液得到纺丝薄膜，于10～50℃真空干燥箱内干燥24～36h得到POSS复合多孔薄膜；所述静电纺丝的参数为：纺丝电压为15～25KV，纺丝液注射速度为0.1～1.0mm/min，纺丝注射器针头距离纺丝接收装置距离为10～30cm，纺丝接收装置为滚筒接收，其转速为10～50m/h；
步骤4：将步骤3中所得POSS复合多孔薄膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸丙烯酯溶液中1～2h，即得到POSS复合多孔凝胶聚合物电解质。
有益效果
本发明提出的一种POSS复合多孔凝胶聚合物电解质及采用静电纺丝制备的方法，加入的POSS杂化材料不但避免了聚合物基体中无机纳米颗粒分散性差的问题，并可有效提高凝胶聚合物电解质的电导率，同时，静电纺丝制备的纤维薄膜具有孔隙率高的特点，可增加凝胶聚合物电解质的吸液率，进一步提高电导率。本发明的POSS复合多孔凝胶聚合物电解质能够满足作为锂离子电池电解质对离子电导率的要求。
本发明制成的POSS杂化材料改性的复合多孔凝胶聚合物电解质，能满足作为锂离子电池电解质对离子电导率的要求。
附图说明
图1：本发明的静电纺丝制备POSS复合多孔锂离子电池凝胶聚合物电解质的制备工艺流程；
图2：POSS复合多孔电解质隔膜的扫描电子显微镜图片(A-D分别对应实施案例1-4所得薄膜)
图3：POSS复合多孔电解质的电导率图(A-D分别对应实施案例1-4所得POSS复合多孔凝胶聚合物电解质)
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施实例1：反应流程图如图1所示。
步骤1：纺丝前将PVDF和POSS-(C3H6Cl)8置于60℃真空烘箱中干燥24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加入分子筛静置12h以上；
步骤2：按照85:15质量比例称取DMF和PVDF于30℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PVDF质量的15％称取POSS-(C3H6Cl)8并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到纺丝液；
步骤3：静电纺丝步骤2中的纺丝液得到纺丝薄膜，于40℃真空干燥箱内干燥24h得到POSS复合多孔薄膜。所述静电纺丝的参数为：纺丝电压为20KV，纺丝液注射速度为0.2mm/min，注射器针头距离纺丝接收装置25cm，纺丝接收装置为转速为15m/h滚筒；
步骤4：将步骤3中所得POSS复合多孔薄膜浸泡到1mol/L锂盐溶液中1h，即可得到POSS复合多孔凝胶聚合物电解质。
实施实例2：
步骤1：纺丝前将PVDF、PAN和POSS-(C3H6Cl)8置于60℃真空烘箱中干燥24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加入分子筛静置12h以上；
步骤2：按照85:10:5质量比例称取DMF、PVDF和PAN于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PVDF和PAN总质量的15％称取POSS-(C3H6Cl)8并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到纺丝液；
步骤3：静电纺丝步骤2中的纺丝液得到纺丝薄膜，于40℃真空干燥箱内干燥24h得到POSS复合多孔薄膜。所述静电纺丝的参数为：纺丝电压为20KV，纺丝液注射速度为0.2mm/min，注射器针头距离纺丝接收装置25cm，纺丝接收装置为转速为15m/h滚筒；
步骤4：将步骤3中所得POSS复合多孔薄膜浸泡到1mol/L锂盐溶液中1h，即可得到POSS复合多孔凝胶聚合物电解质。
实施实例3：
步骤1：纺丝前将PVDF、PAN和POSS-(C3H6Cl)8置于60℃真空烘箱中干燥24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加入分子筛静置12h以上；
步骤2：按照85:10:5质量比例称取DMF、PVDF和PAN于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PVDF和PAN总质量的15％称取POSS-(C3H6Cl)8并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到纺丝液；
步骤3：静电纺丝步骤2中的纺丝液得到纺丝薄膜，于40℃真空干燥箱内干燥24h得到POSS复合多孔薄膜。所述静电纺丝的参数为：纺丝电压为18KV，纺丝液注射速度为0.25mm/min，注射器针头距离纺丝接收装置20cm，纺丝接收装置为转速为15m/h滚筒；
步骤4：将步骤3中所得POSS复合多孔薄膜浸泡到1mol/L锂盐溶液中1h，即可得到POSS复合多孔凝胶聚合物电解质。
实施实例4：
步骤1：纺丝前将PVDF、PAN、PMMA和POSS-(C3H6Cl)8置于60℃真空烘箱中干燥24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加入分子筛静置12h以上；
步骤2：按照82:7.2:7.2:3.6质量比例称取DMF、PVDF、PAN及PMMA于50℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PVDF、PAN及PMMA总质量的15％称取POSS-(C3H6Cl)8并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到纺丝液；
步骤3：静电纺丝步骤2中的纺丝液得到纺丝薄膜，于40℃真空干燥箱内干燥24h得到POSS复合多孔薄膜。所述静电纺丝的参数为：纺丝电压为20KV，纺丝液注射速度为0.2mm/min，注射器针头距离纺丝接收装置25cm，纺丝接收装置为转速为15m/h滚筒；
步骤4：将步骤3中所得POSS复合多孔薄膜浸泡到1mol/L锂盐溶液中1h，即可得到POSS复合多孔凝胶聚合物电解质。

Claims (4)

1.一种POSS复合多孔凝胶聚合物电解质，其特征在于原料组份为：POSS杂化材料为1重量份，聚合物基体为4～20重量份，聚合物溶剂为16～230重量份；所述POSS杂化材料为氯丙基POSS(POSS-(C3H6Cl)8)与八臂星型POSS聚合物POSS-(PMMA)8的共混物，其中POSS-(PMMA)8的质量百分数ω范围为0＜ω＜100。
2.根据权利要求1所述POSS复合多孔凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述聚合物基体为聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈或聚偏氟乙烯，或上述三种聚合物的任意质量比的共混物。
3.根据权利要求1所述POSS复合多孔凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述聚合物溶剂为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)或者二甲基亚砜(DMSO)。
4.一种采用静电纺丝制备权利要求1或2或3所述POSS复合多孔锂离子电池凝胶聚合物电解质的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将POSS杂化材料和聚合物在于60～70℃真空烘箱中干燥12～24h；采用聚合物溶剂进行减压蒸馏或蒸馏，并加入分子筛静置12h以上；
步骤2：将聚合物基体溶于20～70℃聚合物溶剂中并搅拌形成聚合物溶液，再加入POSS杂化材料继续加热搅拌，待POSS杂化材料完全溶解得到纺丝液；
步骤3：静电纺丝步骤2中的纺丝液得到纺丝薄膜，于10～50℃真空干燥箱内干燥24～36h得到POSS复合多孔薄膜；所述静电纺丝的参数为：纺丝电压为15～25KV，纺丝液注射速度为0.1～1.0mm/min，纺丝注射器针头距离纺丝接收装置距离为10～30cm，纺丝接收装置为滚筒接收，其转速为10～50m/h；
步骤4：将步骤3中所得POSS复合多孔薄膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸丙烯酯溶液中1～2h，即得到POSS复合多孔凝胶聚合物电解质。
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