CN110729514A - 生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质及其制备方法 - Google Patents

生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物聚合物壳聚糖复合聚合物电解质及其制备方法和电池,具体包括如下步骤：步骤一，将壳聚糖（CS）加入醋酸溶液当中配置成壳聚糖悬浮溶液，搅拌24h；步骤二，将聚环氧乙烷（PEO）和锂盐加入乙腈溶液中并搅拌4‑6h，形成均匀的悬浮液；步骤三，将步骤一得到的壳聚糖悬浮溶液和步骤二得到的悬浮液混合，且壳聚糖（CS）与锂盐质量比为1:1‑1.2，并搅拌6‑12h，形成均一的混合溶液；步骤四，将步骤三配置好的混合溶液浇筑在聚四氟乙烯的模具中；在室温下让其干燥，最终得到聚合物电解质膜；本发明的方法制备的聚合物电解质膜具有良好的机械性能和电化学性能，制备工艺简单，成本低，有望代替隔膜和传统的电解液，制备成全固态或半固态电池。

Description

生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质及其制备方法
技术领域
本发明属于固态电解质制备领域，尤其涉及生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质的制备方法。
背景技术
锂金属电池由于其较高的能量密度已经被广泛认为是最有前途的下一代储能设备，但是，传统的有机电解液应用于锂金属电池中，由于在电池充放电过程中，无法避免锂枝晶的生长，而产生的易燃、短路等问题，然而，固态电解质(SSE)由于其优异的机械性能，可以抑制锂枝晶的生长，提高电池的安全性能，被认为是一种很有前途的候选材料。
固态电解质主要分为无机固态电解质和聚合物固态电解质两大类；无机固态电解质室温离子电导率高，机械强度高，但其脆性大，加工性能差；聚合物固态电解质具有一定的柔性，界面阻抗相对较小，但普遍存在的问题就是室温离子电导率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物聚合物壳聚糖基复合聚合物电解质的制备方法，本制备方法制备生物聚合物壳聚糖复合聚合物电解质具有较高的离子电导率、较好的机械性能、电化学性能以及较好的柔性性能。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将壳聚糖（CS）加入醋酸溶液当中配置成壳聚糖悬浮溶液，搅拌24h；
步骤二，将聚环氧乙烷（PEO）和锂盐加入乙腈溶液中并搅拌4-6h，形成均匀的悬浮液；
步骤三，将步骤一得到的壳聚糖悬浮溶液和步骤二得到的悬浮液混合，且壳聚糖（CS）与锂盐质量比为1:1-1.2，并搅拌6-12h，形成均一的混合溶液；
步骤四，将步骤三配置好的混合溶液浇筑在聚四氟乙烯的模具中；在室温下让其干燥，最终得到聚合物电解质膜。
优选的，壳聚糖（CS）的脱乙酰度≥ 95%，粘度100-200 mpas，醋酸溶液中醋酸的含量≥99.5%，乙腈溶液中乙腈含量≥99.8%，聚环氧乙烷（PEO）的摩尔质量= 5×105 g/mol。
优选的，步骤一中配置的壳聚糖悬浮溶液浓度为20-40 mg/mL。
优选的，步骤二中配置的悬浮液聚环氧乙烷（PEO）和锂盐的质量比为0.5-1.5:1。
优选的，壳聚糖（CS）与锂盐质量比为1:1。
优选的，所述锂盐由双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6和LiCF3SO3中的至少一种组成。
生物聚合物壳聚糖基复合聚合物电解质薄膜材料，由上述制备方法制备得到。
应用上述电解质薄膜材料制成的电池，加入10-20ul的电解液润湿电极与电解质的表面，减少界面阻抗。
本发明的有益效果为：
1、本方法制备工艺简单，制备的原材料廉价易得，适合产业化生产。
2、本方法制备壳聚糖基复合聚合物电解质具有较高的离子电导率，较低的界面阻抗，较好的机械性、柔性性能以及良好的电化学性能，并且该生物聚合物壳聚糖基复合聚合物电解质能够满足实际固态电解质高离子电导率，较低的界面阻抗的要求，为新型固态电解质的制备提供了参考，有望代替隔膜和传统的电解液，制备成全固态或半固态电池。
附图说明
图1为壳聚糖基复合聚合物电解质的制作流程示意图；
图2为对比例1-2和实施例1-3制备的壳聚糖基复合聚合物电解质的电化学性能电化学阻抗图；
图3为实施例2制备的壳聚糖基复合聚合物电解质在电流密度0.1C下的循环比容量图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
为了进一步的加深对本发明的理解，下面结合实例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些实例的描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可；具体选用如下：壳聚糖（CS）的脱乙酰度≥ 95%，粘度100-200 mpas，醋酸溶液中醋酸的含量≥99.5%，乙腈溶液中乙腈含量≥99.8%，聚环氧乙烷（PEO）的摩尔质量= 5×105 g/mol。
对比例1
本对比例壳聚糖基复合聚合物电解质的制备过程如下：
步骤一：在室温下，称取脱乙酰度为95%，粘度200 mpas的壳聚糖加入到醋酸含量为99.5%的醋酸溶液中，搅拌24h，配置成浓度为40 mg/mL的壳聚糖悬浮溶液；
步骤二，将步骤一中得到的壳聚糖悬浮溶液倒入聚四氟乙烯的模具中成膜；
步骤三，将步骤二得到的膜裁剪成隔膜大小的尺寸，在手套箱中，装成电池，并进行进行电化学性能测试。
通过附图2可以得出，对比例1得到的壳聚糖基复合聚合物电解质具有较低的离子电导率。
对比例2
本对比例壳聚糖基复合聚合物电解质的制备过程如下：
步骤一：在室温下，称取脱乙酰度为97%，粘度150 mpas的壳聚糖加入到醋酸含量为99.7%的醋酸溶液中，搅拌24h，配置成浓度为40 mg/mL的壳聚糖悬浮溶液；
步骤二，将双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）加入步骤一得到的壳聚糖悬浮溶液中，并保证壳聚糖与双三氟甲基磺酰亚胺锂质量比为1:1，搅拌4h，获得均匀的混合溶液；
步骤三，将步骤二所制备的混合溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，在室温下自然干燥成膜；
步骤四，将步骤三所制备的膜裁剪成隔膜大小的尺寸，在手套箱中，装成电池，进行电化学性能测试。
通过附图2可以得出，对比例2制备的壳聚糖基复合聚合物电解质，随着锂盐双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）的加入，增加了聚合物电解质的无定形结构，并促进锂盐的解离，获得了较高的离子电导率。
实施例1
本实施例壳聚糖基复合聚合物电解质的制备过程如下：
步骤一：在室温下，称取脱乙酰度为95%，粘度200 mpas的壳聚糖加入到醋酸含量为99.5%的醋酸溶液中，搅拌24h，配置成浓度为20mg/mL的壳聚糖悬浮溶液；
步骤二，将摩尔质量= 5×105 g/mol的聚环氧乙烷（PEO）和LiClO4加入到乙腈含量为99.8%的乙腈溶液中并搅拌5h，形成均匀的悬浮液，且此悬浮液中聚环氧乙烷（PEO）和锂盐的质量比为0.5:1；
步骤三，将步骤一得到的壳聚糖悬浮溶液和步骤二得到的悬浮液混合，且壳聚糖（CS）与锂盐质量比为1:1.2，并搅拌6h，形成均一的混合溶液；
步骤四，将步骤三所制备的混合溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，在室温下自然干燥成膜；
步骤五，将步骤四所制备的膜裁剪成隔膜大小的尺寸，在手套箱中，装成电池，进行电化学性能测试。
由附图2可以得到，本发明实施例1制备的壳聚糖基复合聚合物电解质，随着锂盐LiClO4和聚环氧乙烷（PEO）的加入，增加了聚合物电解质的无定形结构，并促进锂盐的解离，获得了较高的离子电导率。
实施例2
本实施例壳聚糖基复合聚合物电解质的制备过程如下：
步骤一：在室温下，称取脱乙酰度为97%，粘度150 mpas的壳聚糖加入到醋酸含量为99.8%的醋酸溶液中，搅拌24h，配置成浓度为40mg/mL的壳聚糖悬浮溶液；
步骤二，将摩尔质量= 5×105 g/mol的聚环氧乙烷（PEO）和双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）加入到乙腈含量为99.9%的乙腈溶液中并搅拌6h，形成均匀的悬浮液，且此悬浮液中聚环氧乙烷（PEO）和锂盐的质量比为1:1；
步骤三，将步骤一得到的壳聚糖悬浮溶液和步骤二得到的悬浮液混合，且壳聚糖（CS）与锂盐质量比为1:1，并搅拌8h，形成均一的混合溶液；
步骤四，将步骤三所制备的混合溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，在室温下自然干燥成膜；
步骤五，将步骤四所制备的膜裁剪成隔膜大小的尺寸，在手套箱中，装成电池，进行电化学性能测试。
由附图2和附图3可以得出，本发明实施例2制备的壳聚糖基复合聚合物电解质，随着锂盐双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）和聚环氧乙烷（PEO）的加入，增加了聚合物电解质的无定形结构，并促进锂盐的解离，获得了较高的离子电导率和优异的电化学性能，在电流密度0.1C下，循环170圈，比容量为126 mAh/g。
实施例3
本实施例壳聚糖基复合聚合物电解质的制备过程如下：
步骤一：在室温下，称取脱乙酰度为98%，粘度100 mpas的壳聚糖加入到醋酸含量为99.9%的醋酸溶液中，搅拌24h，配置成浓度为40mg/mL的壳聚糖悬浮溶液；
步骤二，将摩尔质量= 5×105 g/mol的聚环氧乙烷（PEO）和双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）和LiAsF6混合的锂盐加入到乙腈含量为99.85%的乙腈溶液中并搅拌4h，形成均匀的悬浮液，且此悬浮液中聚环氧乙烷（PEO）和锂盐的质量比为1.5:1；
步骤三，将步骤一得到的壳聚糖悬浮溶液和步骤二得到的悬浮液混合，且壳聚糖（CS）与锂盐质量比为1:1.1，并搅拌12h，形成均一的混合溶液；
步骤四，将步骤三所制备的混合溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，在室温下自然干燥成膜；
步骤五，将步骤四所制备的膜裁剪成隔膜大小的尺寸，在手套箱中，装成电池，进行电化学性能测试。
有附图2可以得到，本发明实施例3制备的壳聚糖基复合聚合物电解质，随着双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）和LiAsF6组成的锂盐和聚环氧乙烷（PEO）的加入，增加了聚合物电解质的无定形结构，并促进锂盐的解离，获得了较高的离子电导率。
通过上述实施例和对比例的对比，可以得出，本发明方法制备壳聚糖基复合聚合物电解质具有较高的离子电导率，较低的界面阻抗，较好的机械性、柔性性能以及良好的电化学性能，并且该生物聚合物壳聚糖基复合聚合物电解质能够满足实际固态电解质高离子电导率，较低的界面阻抗的要求，有望代替隔膜和传统的电解液，制备成全固态或半固态电池，具有较大的发展前景。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对与本领域的普通技术人员，根据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均有改变之处，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将壳聚糖（CS）加入醋酸溶液当中配置成壳聚糖悬浮溶液，搅拌24h；
步骤二，将聚环氧乙烷（PEO）和锂盐加入乙腈溶液中并搅拌4-6h，形成均匀的悬浮液；
步骤三，将步骤一得到的壳聚糖悬浮溶液和步骤二得到的悬浮液混合，且壳聚糖（CS）与锂盐质量比为1:1-1.2，并搅拌6-12h，形成均一的混合溶液；
步骤四，将步骤三配置好的混合溶液浇筑在聚四氟乙烯的模具中；在室温下让其干燥，最终得到聚合物电解质膜。
2.根据权利要求1所述的一种生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，壳聚糖（CS）的脱乙酰度≥ 95%，粘度100-200 mpas，醋酸溶液中醋酸的含量≥99.5%，乙腈溶液中乙腈含量≥99.8%，聚环氧乙烷（PEO）的摩尔质量= 5×105 g/mol。
3.根据权利要求1所述的一种生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤一中配置的壳聚糖悬浮溶液浓度为20-40 mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤二中配置的悬浮液聚环氧乙烷（PEO）和锂盐的质量比为0.5-1.5:1。
5.根据权利要求1所述的一种生物聚合物壳聚糖基复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，所述锂盐由双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6和LiCF3SO3中的至少一种组成。
6.生物聚合物壳聚糖基复合聚合物电解质薄膜材料，其特征在于，由权利要求1～5任一项所述的制备方法制备得到。
7.应用权利要求6制得的电解质薄膜材料制成的电池，其特征在于，加入10-20ul的电解液润湿电极与电解质的表面。
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