CN111370765B - 一种成膜性能优异的环醚磷腈聚合物电解质膜的制备方法 - Google Patents
一种成膜性能优异的环醚磷腈聚合物电解质膜的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种成膜性能优异的环醚磷腈聚合物电解质膜的制备方法。该方法通过引入环氧基醚、烷氧基醚侧基进行等比例混合取代合成了一种新型环醚磷腈聚合物,然后通过溶液浇铸法制得聚合物电解质膜,本发明的方案是:新型环醚磷腈聚合物的制备:环氧丙醇以三乙胺为缚酸剂引入到聚磷腈中,二乙二醇单甲醚通过与NaH反应制得醇钠并作为亲核试剂引入到聚磷腈中,反应制得新型环醚磷腈聚合物;磷腈聚合物电解质膜的制备:将锂盐、新型环醚聚磷腈和溶剂水在60℃混合均匀,采用溶液浇铸法制膜。
Description
技术领域:
本发明制备了一种环醚磷腈聚合物电解质膜,该磷腈聚合物电解质膜无须交联即可得到成膜性能良好的薄膜。
背景技术:
随着科技的不断进步,人们对能源的安全问题越来越重视,而锂离子电池作为一类重要的能源,其安全性便引起了人们很大的关注,自1991年商业化以来,锂离子电池已经在手机等小型设备和电动汽车等多种领域得到了广泛的应用,目前由于锂离子电池多采用高度易燃的碳酸盐基液态有机电解质,其易燃烧的特性严重阻碍了锂离子电池技术发展,聚合物电解质的出现不仅避免了液体电解质易泄露、燃烧等缺点,还提高了锂电池的能量密度及尺寸灵活性。
近来的研究发现,磷腈化合物因其含有丰富的具有阻燃性能的P、N元素,同时聚磷腈又具有低的玻璃化温度和良好的链柔顺性,当活泼的P-Cl键被醚氧等可与Li+配位的取代基取代时,其便有了离子导电的能力,同时聚磷腈骨架中的氮原子也有利于锂盐的溶解,可进一步促进Li+的传输。因此对磷腈聚合物电解质的研究日益重视起来,1984年由Allcock报道了第一种含有醚侧基的聚磷腈电解质聚二(二乙二醇单甲醚)磷腈(MEEP),其通过与锂盐复合具备了导电的能力,但其机械稳定性差,需要进行紫外交联,才能得到尺寸稳定的薄膜。
本发明以环氧基醚、烷氧基醚作为功能侧基,制备了环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈,且制备方法简便、安全,减少了钠盐的使用,降低了安全隐患,同时制膜过程无需紫外交联即可得到尺寸稳定的薄膜,制膜过程简便。
发明内容:
本发明采用环氧丙醇和二乙二醇单甲醚为亲核取代基制备了环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈。将取代基团引入的合成方法包括三乙胺作缚酸剂和制钠盐亲核试剂两步,其中选用三乙胺为缚酸剂,减少了制备钠盐的危险。
本发明的技术方案是:①聚磷腈的制备以环氧丙醇、二乙二醇单甲醚为亲核取代基,先以三乙胺为缚酸剂引入环氧醚侧基,后制二乙二醇单甲醚钠盐亲核试剂进一步反应,减少了钠盐的制备,降低了制钠盐过程的安全隐患;②采用溶液浇铸法制聚合物电解质膜,无需紫外交联,过程简便。一种成膜性能优异的环醚磷腈聚合物电解质膜的制备方法,其制备步骤如下:
环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈的制备:
a.将聚二氯磷腈溶于四氢呋喃倒入三口瓶中;
b.将称量后的环氧丙醇、三乙胺在THF中均匀混合,于磁力搅拌下用恒压滴液漏斗加入聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中,室温下反应6h得到反应液;环氧丙醇、三乙胺与聚二氯磷腈中氯原子的摩尔比为1:1:2。
c.将二乙二醇单甲醚与NaH在冰水浴中反应2h制二乙二醇单甲醚钠亲核试剂,二乙二醇单甲醚与NaH的摩尔比为1:1;
d.将制好的二乙二醇单甲醚钠加入b中得到的反应液,60℃继续反应24h,二乙二醇单甲醚钠与聚二氯磷腈中氯原子的摩尔比为1.2:2;
e.反应结束后.将产物溶液用去离子水透析三天得到环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈后干燥。
聚合物电解质膜的制备:
f.将上述合成的环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈与双三氟甲烷磺酰亚胺锂、水在60℃下反应2h,至均匀混合,其中Li+与环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈中O原子的摩尔比分别为1:24-1:48;
g.将反应液在鼓风干燥箱烘至粘稠状态;
h.将粘稠状反应液倒入聚四氟乙烯模具中,并在真空烘箱中抽真空脱泡,烘干。
所述的加入所有反应物后取代反应温度为60℃,反应时间为24h。
所述的步骤d产物溶液在透析前,要将溶剂四氢呋喃进行蒸馏回收至粘稠状态。
环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈的结构为
本发明具有如下优点和效果:
a.采用环氧丙醇为亲核取代基,在尽可能不降低离子电导率的情况下,提升了磷腈聚合物电解质膜的机械稳定性。
b.引入环氧基醚侧基时采用三乙胺为缚酸剂,减少了钠盐的制备过程,降低了制钠盐的安全隐患。
c.制得的磷腈聚合物电解质膜,无需紫外交联,即可得到尺寸稳定的薄膜。
具体实施方式:
为了更好地理解本发明,通过实施例进行详细说明本发明,但本发明的保护范围不限于以下实施例。
实施案例1:
环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈的制备
取聚二磷腈的四氢呋喃溶液120g,其中聚二氯磷腈的质量为10.08g于1000mL三口瓶中并向三口瓶中加入磁子,将三口瓶置于油浴锅中,安装回流冷凝装置;称取环氧丙醇6.45g,称取三乙胺8.81g,将两者均匀混合,用恒压滴液漏斗滴加入三口瓶,反应6h。
另取250ml三口烧瓶置于冰水浴中,在三口烧瓶中依次加入40ml除水后THF及4.18gNaH,通氮气保护,全程磁力搅拌,将12.54g二乙二醇单甲醚用滴液漏斗滴加到三口烧瓶中。滴加完毕,继续反应2h,制得二乙二醇单甲醚钠。将制得的钠盐用滴液漏斗滴加入1000ml三口烧瓶中,滴加完毕后,将油浴锅升温至60℃恒温反应,待反应24小时,蒸馏回收THF至粘稠状,用去离子水透析三天,在烘箱中烘干,得到最终聚磷腈产物。
磷腈聚合物电解质膜的制备
因制聚合物电解质膜选用Li+:O=1:24,1:36,1:48,三种比例,当Li+:O=1:24时,取1g上述合成聚磷腈于50ml单口瓶中,加入0.3g锂盐和25ml水,在60℃下反应2h,至溶液均匀混合,反应完成后,倒入50ml烧杯中,在鼓风烘箱中烘至粘稠状液体,再浇铸到聚四氟乙烯模具中,在真空烘箱抽真空脱泡,烘干成膜。室温下其离子电导率为σ=7.73*10-6S/cm;当Li+:O=1:36时,取1g上述合成聚磷腈于50ml单口瓶中,加入0.2g锂盐和25ml水,在60℃下反应2h,至溶液均匀混合,反应完成后,倒入50ml烧杯中,在鼓风烘箱中烘至粘稠状液体,再浇铸到聚四氟乙烯模具中,在真空烘箱抽真空脱泡,烘干成膜。室温下其离子电导率为σ=2.17*10-5S/cm;当Li+:O=1:48时,取1g上述合成聚磷腈于50ml单口瓶中,加入0.15g锂盐和25ml水,在60℃下反应2h,至溶液均匀混合,反应完成后,倒入50ml烧杯中,在鼓风烘箱中烘至粘稠状液体,再浇铸到聚四氟乙烯模具中,在真空烘箱抽真空脱泡,烘干成膜。室温下其离子电导率为σ=1.84*10-5S/cm。三种比例制得的磷腈聚合物电解质膜均具有好的尺寸稳定性,当Li+:O=1:36时离子电导率最高。
实施案例2:
环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈的制备
取聚二磷腈的四氢呋喃溶液100克,其中聚二氯磷腈的质量为8克于1000mL三口瓶中并向三口瓶中加入磁子,将三口瓶置于油浴锅中,安装冷凝装置;称取环氧丙醇5.12克,称取三乙胺6.98克,将两者均匀混合,用恒压滴液漏斗加入三口瓶,反应6h。
另取250ml三口烧瓶置于冰水浴中,在三口烧瓶中依次加入40ml除水后THF及3.31gNaH,通氮气保护,全程磁力搅拌。将9.95g二乙二醇单甲醚用滴液漏斗滴入三口烧瓶中。滴加完毕,继续反应2h,制得二乙二醇单甲醚钠。将制得的钠盐用滴液漏斗滴加入1000ml三口烧瓶中,滴加完毕后,将油浴锅升温至60℃恒温反应,待反应24小时,蒸馏回收THF至粘稠状,用去离子水透析三天,在烘箱中烘干,得到最终聚磷腈产物。
磷腈聚合物电解质膜的制备
因制聚合物电解质膜选用Li+:O=1:24,1:36,1:48,三种比例,当Li+:O=1:24时,取1g上述合成聚磷腈于50ml单口瓶中,加入0.3g锂盐和25ml水,在60℃下反应2h,至溶液均匀混合,反应完成后,倒入50ml烧杯中,在鼓风烘箱中烘至粘稠状液体,再浇铸到聚四氟乙烯模具中,在真空烘箱抽真空脱泡,烘干成膜。室温下其离子电导率为σ=7.68*10-6S/cm;当Li+:O=1:36时,取1g上述合成聚磷腈于50ml单口瓶中,加入0.2g锂盐和25ml水,在60℃下反应2h,至溶液均匀混合,反应完成后,倒入50ml烧杯中,在鼓风烘箱中烘至粘稠状液体,再浇铸到聚四氟乙烯模具中,在真空烘箱抽真空脱泡,烘干成膜。室温下其离子电导率为σ=2.21*10-5S/cm;当Li+:O=1:48时,取1g上述合成聚磷腈于50ml单口瓶中,加入0.15g锂盐和25ml水,在60℃下反应2h,至溶液均匀混合,反应完成后,倒入50ml烧杯中,在鼓风烘箱中烘至粘稠状液体,再浇铸到聚四氟乙烯模具中,在真空烘箱抽真空脱泡,烘干成膜。室温下其离子电导率为σ=1.79*10-5S/cm。三种比例制得的磷腈聚合物电解质膜均具有好的尺寸稳定性,当Li+:O=1:36时离子电导率最高。
Claims (2)
1.一种成膜性能优异的环醚磷腈聚合物电解质膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈的制备:
a.将聚二氯磷腈溶于四氢呋喃倒入三口瓶中;
b.将称量后的环氧丙醇、三乙胺在THF中均匀混合,于磁力搅拌下用恒压滴液漏斗加入聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中,室温下反应6h得到反应液;环氧丙醇、三乙胺与聚二氯磷腈中氯原子的摩尔比为1:1:2;
c.将二乙二醇单甲醚与NaH在冰水浴中反应2h制二乙二醇单甲醚钠亲核试剂,二乙二醇单甲醚与NaH的摩尔比为1:1;
d.将制好的二乙二醇单甲醚钠加入b中得到的反应液,60℃继续反应24h,二乙二醇单甲醚钠与聚二氯磷腈中氯原子的摩尔比为1.2:2;
e.反应结束后,将产物溶液用去离子水透析三天得到环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈后干燥;聚合物电解质膜的制备:
f.将上述合成的环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈与双三氟甲烷磺酰亚胺锂、水在60℃下反应2h,至均匀混合,其中Li+与环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈中O原子的摩尔比分别为1:24-1:48;
g.在鼓风干燥箱烘至粘稠状态;
h.将粘稠状反应液倒入聚四氟乙烯模具中,并在真空烘箱中抽真空脱泡,烘干;
环氧基醚/烷氧基醚取代聚磷腈的结构为
2.根据权利要求1所述的一种成膜性能优异的环醚磷腈聚合物电解质膜的制备方法,其特征在于:产物在透析前将溶剂四氢呋喃进行蒸馏回收。
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