CN110707356A - 一种壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，公开一种壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜及其制备方法和应用。所述壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜是将壳聚糖衍生物、高分子聚合物和锂盐按比例加到有机溶液中，在室温下搅拌，得到均匀混合溶液，将混合溶液滴加到玻璃板或聚四氟乙烯板上，干燥制得。本发明中壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜制备方法简单，该膜具有厚度均匀可控、离子电导率好、可快速充放电，电池循环性能好等优点，适合用于锂离子电池领域。

Description

一种壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜及其制备方法和应用。
背景技术
固态电池应用前景非常广阔。固态电池使用不可燃烧的固态电解质作为传导离子的媒介，与传统可燃性的有机液态电解质相比能够改善电池系统的安全性，同时还能减轻电池的重量，提升电池的能量密度，是距离产业化最近的下一代技术。与传统液态电解质电池相比具有非常明显的优势：(1)不存在液态，消除了泄露、腐蚀和易燃易爆等不安全因素；(2)不需要封装液体，有利于电池组装和密封；(3)能够叠加多电极，提高电池电压；(4)电化学窗口宽；(5)副反应少。固态电解质具有诸多优点，但是目前仍然面临着较大问题，如室温离子电导率偏低、循环寿命短、电极与电解质的界面不友好等，这些问题都需要解决。壳聚糖衍生物分子链含有大量的羟基与氨基，与材料复合具有很好的相容性，同时能够提高离子电导率，在锂离子电池领域的应用前景广阔。因此，亟需具有良好的发展前景和应用市场的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜。该固态电解质离子导电率高、循环寿命高，可快速充放电等特点。
本发明的另一目的在于提供上述壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜的制备方法。该方法简单，形状厚度均匀可控。
本发明的再一目的在于提供上述壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，所述壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜是将壳聚糖衍生物、高分子聚合物和锂盐加到有机溶液中，在室温下搅拌，得到均匀混合溶液，再将混合溶液滴加到玻璃板或聚四氟乙烯板上，干燥制得。
优选地，所述的壳聚糖衍生物为甲壳素、O-羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖、O-羧乙基壳聚糖、N-羧乙基壳聚糖、季铵盐壳聚糖或N-烷基化壳聚糖。
优选地，所述的聚合物为聚醚、聚碳酸酯、聚氨酯、聚硅氧烷、聚磷酸酯中的一种以上。
优选地，所述的锂盐为高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双二氟磺酰亚胺锂或双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种以上。
优选地，所述的有机溶剂为甲醇、乙腈、乙醇、丙酮、甲苯、二氯甲烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种以上。
优选地，所述搅拌的温度为22～28℃，所述搅拌的时间为12～48h；所述干燥的温度为25～80℃，所述干燥的时间为48～120h。
优选地，所述载体为玻璃板或聚四氟乙烯板。
优选地，所述壳聚糖衍生物和高分子聚合物的质量比为1：(1～1000)。
优选地，所述高分子聚合物在有机溶剂的质量浓度为1～10wt％。
优选地，所述锂盐中锂离子与高分子聚合物的结构单元的摩尔比为1：(5～50)。
所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜的制备方法，包括如下具体步骤:
S1.将壳聚糖衍生物、高分子聚合物和锂盐按比例加到有机溶液中，在22～28℃下搅拌成均匀溶液，制得壳聚糖衍生物/聚合物/锂盐溶液；
S2.将壳聚糖衍生物/聚合物/锂盐的溶液滴到在玻璃板或者聚四氟乙烯板上，经干燥，得到壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜。
所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜在锂离子电池领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明在高分子聚合物中加入壳聚糖衍生物，得到的固态电解质膜具有高离子电导率、可快速充放电、循环寿命高等特点。
2.本发明采用玻璃板或聚四氟乙烯板模具成膜，模具形状厚度可控，所得固态电解质膜的形状和厚度能够得到控制。
3.本发明的制备方法简单，壳聚糖衍生物能够与聚合物形成友好的界面，有利于壳聚糖衍生物在聚合物中均匀分散，降低聚合物的结晶度，与聚合物形成快速离子通道，降低固态电解质膜的阻抗性能。
附图说明
图1为本发明的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜制备过程示意图。
图2为实施例2所得到的固态电解质膜的实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。
图1为本发明的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜制备过程示意图。其中a表示壳聚糖衍生物，b为聚合物/锂盐溶液，c为壳聚糖衍生物/聚合物/锂盐混合溶液，d为壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，e为玻璃板或聚四氟乙烯板模具；(1)表示壳聚糖衍生物分散在聚合物/锂盐溶液的搅拌过程，(2)为壳聚糖衍生物/聚合物/锂盐混合溶液滴到玻璃板或聚四氟乙烯板模具工艺，(3)表示干燥过程。
实施例1
1.取0.6g聚氧化乙烯(PEO)与双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)(PEO结构单元与锂离子(EO:Li+)摩尔比＝20:1)溶解于10mL乙腈(PEO质量浓度为6％)，得到溶液A；
2.按N-羧乙基壳聚糖与PEO质量比为1：2加入到溶液A，搅拌24h，静止12h，得到混合溶液B；
3.取1.5mL混合溶液B滴加到玻璃板模具中，25±3℃挥发24h，转至真空干燥箱，50℃中干燥3天，得到厚度为100μm的N-羧乙基壳聚糖掺杂聚氧化乙烯固态电解质膜。
实施例2
1.取0.4g聚碳酸乙烯酯(PEC)与双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)(PEC结构单元与LiTFSI中的锂离子(EC：Li+)摩尔比＝20:1)溶解于10mL二氯甲烷(PEC质量浓度为4％)，得到溶液A；
2.按羧甲基壳聚糖与PEC质量比为1：5加入到溶液A中，搅拌48h，静止12h，得到溶液B；
3.取1.5mL溶液B滴加到玻璃板上，25±3℃挥发24h，转至真空干燥箱中，在40℃干燥2天，得到厚度为80μm的羧甲基壳聚糖掺杂聚碳酸乙烯酯固态电解质膜。
图2为本实施例所得到的固态电解质膜的实物图。从图2中可以看到，电解质膜厚度均匀，羧甲基壳聚糖在膜中分散均匀，有利于锂离子的传输，减少固态电解质膜的阻抗。
实施例3
1.取0.6g聚氧化乙烯(PEO)与高氯酸锂(LiClO4)(PEO结构单元与锂离子(EO:Li+)摩尔比＝8:1)溶解于10mL乙腈得到溶液A(PEO质量浓度为6％)；
2.按甲壳素与PEO质量比为1：10加入到溶液A，25±3℃搅拌36h，静止12h，得到溶液B；
3.取1.5mL溶液B滴加到玻璃模具中，25±3℃挥发12h，转至真空干燥箱中，在50℃干燥2天，得到厚度为120μm的甲壳素掺杂聚氧化乙烯固态电解质膜。
实施例4
1.取0.6g聚氧化乙烯(PEO)与高氯酸锂(LiClO4)(PEO结构单元与高氯酸锂中锂离子(EO:Li+)摩尔比＝8:1)溶解于10mL乙醇得到溶液A(PEO质量浓度为6％)；
2.按季铵盐壳聚糖与PEO质量比为1:20加入到溶液A，25±3℃搅拌36h，静止12h，得到溶液B；
3.取1.5mL溶液B滴加到聚四氟乙烯板，25±3℃挥发24h，转至真空干燥箱中在50℃干燥3天，得到厚度为90μm的季铵盐壳聚糖掺杂聚氧化乙烯固态电解质膜。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，其特征在于，所述壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜是将壳聚糖衍生物、高分子聚合物和锂盐加到有机溶液中，在室温下搅拌，得到均匀混合溶液，再将混合溶液滴加到玻璃板或聚四氟乙烯板上，干燥制得。
2.根据权利要求1所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，其特征在于，所述的壳聚糖衍生物为甲壳素、O-羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖、O-羧乙基壳聚糖、N-羧乙基壳聚糖、季铵盐壳聚糖或N-烷基化壳聚糖。
3.根据权利要求1所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，其特征在于，所述的高分子聚合物为聚醚、聚碳酸酯、聚氨酯、聚硅氧烷或聚磷酸酯中的一种以上。
4.根据权利要求1所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，其特征在于，所述的锂盐为高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双二氟磺酰亚胺锂或双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇、乙腈、乙醇、丙酮、甲苯、二氯甲烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种以上。
6.根据权利要求1所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，其特征在于，所述搅拌的温度为22～28℃，所述搅拌的时间为12～48h；所述干燥的温度为25～80℃，所述干燥的时间为48～120h。
7.根据权利要求1所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，其特征在于，所述壳聚糖衍生物和高分子聚合物的质量比为1：(1～1000)；所述高分子聚合物在有机溶剂的质量浓度为1～10wt％。
8.根据权利要求1所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜，其特征在于，所述锂盐中锂离子与高分子聚合物的结构单元的摩尔比为1：(5～50)。
9.根据权利要求1-8任一项所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.将壳聚糖衍生物、高分子聚合物和锂盐加到有机溶液中，在22～28℃下搅拌成均匀溶液，制得壳聚糖衍生物/聚合物/锂盐溶液；
S2.将壳聚糖衍生物/聚合物/锂盐的溶液滴到在玻璃板或聚四氟乙烯板上，经干燥，得到壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜。
10.根据权利要求1-8任一项所述的壳聚糖衍生物掺杂聚合物固态电解质膜在锂离子电池领域中的应用。
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