CN110828891B - 一种含硫聚合物固态电解质及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种含硫聚合物固态电解质及其制备方法和应用，该含硫聚合物固态电解质包括含硫聚合物、锂盐及多孔支撑材料；该含硫聚合物的分子量为2000‑50000Da，该含硫聚合物在含硫聚合物固态电解质中的质量分数为35％～85％。该含硫聚合物固态电解质应用于制备固态锂电池。本发明提供的含硫聚合物固态电解质具有较高的锂离子电导率和较宽的电化学窗口；本发明提供的固态锂电池可实现快速的充放电、倍率性能好，具有优异的长循环稳定性能。

Description

一种含硫聚合物固态电解质及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种含硫聚合物固态电解质及其制备方法和应用。
背景技术
锂电池由于能量密度高，成本低，循环寿命长等优点，一直是科研工作者和企业家们的关注焦点。它一般以易燃易爆的碳酸亚乙酯(EC)-碳酸二甲酯(DMC)作为电解质溶剂，存在一定的安全隐患。因此，不含有机溶剂的固态电解质能够极大地提高锂电池的安全性能，已被研发人员广泛关注。固态电解质可分为聚合物固态电解质和无机固态电解质。聚合物固态电解质因其具有质量轻、安全性高、加工性能好等特点，已成为研究热点。
在聚合物固态电解质中，形成聚合物的基体一般选用醚类聚合物，如聚氧化乙烯(PEO)等。然而，其缺点在于，通过醚类聚合物制成的聚合物固态电解质的锂传输效率较低，在常温下PEO为结晶态，也会影响锂离子的传输。
同时，在组装电池的过程中，往往需要将隔膜制备完成后再装入电池，因此与正负极界面接触较差，进一步降低了其导电性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种含硫聚合物固态电解质及其制备方法和应用，解决现有技术中锂离子的传输效率低的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明提供了第一解决方案:一种含硫聚合物固态电解质，上述含硫聚合物固态电解质包括含硫聚合物、锂盐及多孔支撑材料；上述含硫聚合物的分子量为2000-50000Da，上述含硫聚合物在含硫聚合物固态电解质中的质量分数为35％～85％。
本发明提供了第二解决方案：一种含硫聚合物固态电解质的制备方法，上述制备方法包括以下步骤：
将双巯基单体和双烯单体混合，得到第一混合液；
向上述第一混合液中加入锂盐，使其充分溶解后得到第二混合液；
向上述第二混合液中加入引发剂，混合均匀后得到前驱液；
将上述前驱液转移至多孔支撑材料上进行反应，得到上述含硫聚合物固态电解质。
上述含硫聚合物固态电解质的制备方法用于制备本发明第一解决方案中提供的含硫聚合物固态电解质。
本发明提供了第三解决方案：一种含硫聚合物固态电解质的应用，上述第一解决方案中提供的含硫聚合物固态电解质应用于制备有关固态锂电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的含硫聚合物固态电解质具有较高的锂离子电导率和较宽的电化学窗口；
本发明提供的含硫聚合物固态电解质的制备方法简单、材料易得、反应高效迅速、副产物少且环境友好；
本发明提供的固态锂电池可实现快速的充放电、倍率性能好，具有优异的长循环稳定性能。
附图说明
图1是实施例1中所得固态锂电池在25℃、倍率为0.1C的条件下的充放电曲线图；
图2是实施例1中所得固态锂电池在25℃、倍率为0.05C的条件下的库伦效率-比容量曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
对于本发明的第一解决方案，本发明提供了一种含硫聚合物固态电解质，上述含硫聚合物固态电解质包括含硫聚合物、锂盐及多孔支撑材料；上述含硫聚合物固态电解质的离子电导率为2×10-5～5.0×10-4S/cm，电化学窗口为4.0～4.5V，厚度为150～200μm，机械强度为35～50MPa。
与传统的聚氧化乙烯(PEO)电解质相比，含硫聚合物中碳硫键长于PEO中的碳氧键，分子链柔性更高，有利于锂离子的传导；含硫聚合物分子柔性的增大使其玻璃化温度降低，在室温下处于非晶态，与室温晶态的PEO电解质相比提升了离子电导率；同时，碳硫原子电负性低有利于链段运动和提高锂离子迁移数，有利于提高室温离子电导率。
本发明中，上述含硫聚合物的分子量为2000-50000Da，上述含硫聚合物在含硫聚合物固态电解质中的质量分数为35％～85％。其中，含硫聚合物由双巯基单体、双烯单体在引发剂存在下反应得到，且上述双巯基单体与上述双烯单体的摩尔比为1:1，上述引发剂在含硫聚合物固态电解质中的质量分数为0.1％。在引发剂存在下，上述双巯基单体、双烯单体发生原位聚合反应，得到含硫聚合物。进一步的，上述过程中，根据引发剂的种类选择是否使反应在紫外光的条件下进行。
具体的，上述双巯基单体选自3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇、1,2-乙二硫醇、季戊四醇四巯基乙酸酯、1,10-癸二硫醇中的一种或多种，优选为3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇或1,2-乙二硫醇中的一种；上述双烯单体选自二甲基丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸乙二醇酯、二烯丙基醚、1,5-已二烯中的一种或多种，优选为二甲基丙烯酸乙二醇酯或二丙烯酸乙二醇酯中的一种；上述引发剂为正几胺、二甲基苯基膦、巴斯夫光引发剂1173中的一种。其中，采用巴斯夫光引发剂1173时，需在紫外光条件下进行。
本发明中，上述锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、六氟磷酸锂(LiPF6)、高氯酸锂(LiClO4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)中的一种或多种；上述锂盐在含硫聚合物固态电解质中的质量分数为5％～55％，优选的为15～35％。在此比例范围内，含硫固态聚合物电解质具有较高的锂离子电导率。
本发明中，上述多孔支撑材料为多孔聚酰亚胺隔膜、对苯二甲酸乙二醇酯(PET)核孔膜、纤维素无纺膜、玻璃纤维聚芳砜无纺膜中的任一种。
对于本发明的第二解决方案，本发明提供了一种含硫聚合物固态电解质的制备方法，上述制备方法包括以下步骤：
S1:将双巯基单体和双烯单体混合，得到第一混合液；
S2:向上述第一混合液中加入锂盐，使其充分溶解后得到第二混合液；
S3:向上述第二混合液中加入引发剂，混合均匀后得到前驱液；
S4:将上述前驱液转移至多孔支撑材料上进行反应，得到上述含硫聚合物固态电解质。
本发明中采用巯基-烯烃点击化学制备含硫聚合物固态电解质，与其他方法相比，具有以下优点：
反应物来源广泛，均为大宗化学品，实用的范围较广；
反应过程操作简单，条件温和，对水氧敏感性低，易于应用；
反应具有选择性，产率高副反应少；
反应高效快速，且产物提纯和处理相对简单。
对于本发明的第三解决方案，本发明提供了一种含硫聚合物固态电解质的应用，上述含硫聚合物固态电解质应用于制备固态锂电池。
本发明中，上述固态锂电池包括正极、负极和上述含硫聚合物固态电解质，且上述含硫聚合物固态电解质设置于上述正极与负极之间；其中，
上述正极的活性材料为磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸锰铁锂(LiFe0.2Mn0.8PO4)、钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMnO2)、镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)或镍钴锰三元材料电极中的任一种；
上述负极材料为金属锂、石墨、无定形碳中的任一种。
基于上述第三解决方案可制备出相应的固态锂电池，用上述含硫聚合物固态电解质将正极片和负极片分隔开，密封得固态锂电池。其中，用上述含硫聚合物固态电解质将正极片和负极片分隔开的具体步骤为：将多孔支撑材料置于电池的正极和负极之间，并将上述前驱液加入电池中，使前驱液在多孔支撑材料上进行反应得到含硫聚合物固态电解质，从而实现用上述含硫聚合物固态电解质将正极片和负极片分隔开。
在组装电池的过程中，一般需要将固态电解质制备完成后再装入电池，因此固态电解质与正负极界面接触较差，降低了其导电性；然而，本方法中预先装好多孔支撑材料，使固态电解质的制备过程在电池内进行，含硫聚合物固态电解质与正负极界面接触良好，能够进一步提高导电性能。
基于前述三个解决方案的内容，制定了含硫聚合物固态电解质及其锂电池的制备步骤，具体如下：
将多孔支撑材料装入扣式电池的正极和负极之间；其中，多孔支撑材料在含硫固态聚合物电解质中的质量分数约为10％，正极的活性材料为磷酸铁锂，负极的材料为金属锂。
将双巯基单体和双烯单体混合，随后向上述混合液中加入LiTFSI和正几胺，得到前驱液；
将前驱液搅拌30s后装入扣式电池中，使其在扣式电池内反应，得到上述含硫固态聚合物电解质和固态锂电池；其中，反应的温度为25℃，反应的时间为3～5min。
实施例1～5
实施例1～5分别提供了5种不同的含硫固态聚合物电解质和对应的5种固态锂电池，通过上述步骤得到。实施例1～5中的含硫固态聚合物电解质和固态锂电池制备方法中的具体原料配比见表1；实施例1～5中的含硫固态聚合物电解质的室温离子电导率和电化学窗口见表2。
表1
Figure BDA0002257395670000061
Figure BDA0002257395670000071
表2
Figure BDA0002257395670000072
由表1和表2可以看出，所得含硫聚合物固态电解质的室温离子电导率为2×10-5～5.0×10-4S/cm，电化学窗口为4.0～4.5V，说明本发明提供的含硫聚合物固态电解质具有较高的锂离子电导率和较宽的电化学窗口；同时，还可以看出，锂离子含量过高将导致室温锂离子电导率下降。
试验组1
对实施例1中所得固态锂电池在55℃、倍率为0.1C的条件下测试电池的充放电性能，结果如图1。
由图1可以看出，实施例1中所得固态锂电池充电容量为156mAh/g，放电容量为152mAh/g。
试验组2
对实施例1中所得固态锂电池在25℃、倍率为0.05C的条件下测试电池的循环性能，结果如图2。
由图2可以看出，实施例1中所得固态锂电池在循环100圈时，依然能达到98％的充放电效率，说明具有实施例1中所得固态锂电池具有长循环稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的含硫聚合物固态电解质具有较高的锂离子电导率和较宽的电化学窗口；
本发明提供的含硫聚合物固态电解质的制备方法简单、材料易得、反应高效迅速、副产物少且环境友好；
本发明提供的固态锂电池可实现快速的充放电、倍率性能好，具有优异的长循环稳定性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于含硫聚合物固态电解质的锂电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将双巯基单体和双烯单体混合，得到第一混合液；
向所述第一混合液中加入锂盐，使其充分溶解后得到第二混合液；
向所述第二混合液中加入引发剂，混合均匀后得到前驱液；
将多孔支撑材料置于电池的正极和负极之间，并将所述前驱液加入电池中，使前驱液在多孔支撑材料上进行反应得到含硫聚合物固态电解质；
所述含硫聚合物固态电解质包括含硫聚合物、锂盐及多孔支撑材料；所述含硫聚合物的分子量为2000-50000Da，所述含硫聚合物在含硫聚合物固态电解质中的质量分数为35 %~85 %；
所述双巯基单体选自3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇、1,2-乙二硫醇、季戊四醇四巯基乙酸酯、1,10-癸二硫醇中的一种或多种；所述双烯单体选自二甲基丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种；所述引发剂为正几胺、二甲基苯基膦中的一种。
2.根据权利要求1所述基于含硫聚合物固态电解质的锂电池的制备方法，其特征在于，所述双巯基单体与所述双烯单体的摩尔比为1:1，所述引发剂在含硫聚合物固态电解质中的质量分数为0.1%。
3.根据权利要求1所述基于含硫聚合物固态电解质的锂电池的制备方法，其特征在于，所述锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、双草酸硼酸锂中的一种或多种；所述锂盐在含硫聚合物固态电解质中的质量分数为5% ~ 55%。
4.根据权利要求1所述基于含硫聚合物固态电解质的锂电池的制备方法，其特征在于，所述多孔支撑材料为多孔聚酰亚胺隔膜、对苯二甲酸乙二醇酯核孔膜、纤维素无纺膜、玻璃纤维聚芳砜无纺膜中的任一种。
5.根据权利要求1所述基于含硫聚合物固态电解质的锂电池的制备方法，其特征在于，所述正极的活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂或镍钴锰三元材料电极中的任一种；所述负极的材料为金属锂、石墨、无定形碳中的任一种。
6.一种基于含硫聚合物固态电解质的锂电池，其特征在于，所述基于含硫聚合物固态电解质的锂电池通过权利要求1~5中任一项所述基于含硫聚合物固态电解质的锂电池的制备方法得到。
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