CN114479136A - 一种固态电解质的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固态电解质的制备方法，包括：S1)通过自由基反应使聚合物形成交错网络，借助引发剂激活制备多组分交联或是聚合物骨架相互贯通构筑内部三维立体离子通路组分的复合固态电解质；S2)通过调控锂盐聚合物比例，制备具有高离子电导率的新型固态电解质。与现有技术相比，本发明通过光聚合的方式使得聚合物单体聚合交联形成网络，改善了固态电解质的强度，并提供了丰富的与锂盐结合的位点，促进无定形区的形成，加快了离子在固态电解质中的传输，从而实现了室温下的高离子电导率，有利于提升锂金属电池的电化学稳定性和倍率性能。
Description
技术领域
本发明属于锂金属电池技术领域，尤其涉及一种高离子电导率的固态电解质的制备方法。
背景技术
商用锂离子电池凭借着高性能、高容量等优点，自1991年引入以来就得到广泛的使用。然而，随着对锂离子电池能量密度和安全性要求的不断提升，人们逐渐把目光投向新型的全固态锂金属电池。通过用固态电解质替代液态电解质，也是实现固态锂金属电池高能量密度、长循环寿命和高安全性的关键。
在固态电解质中，聚合物固态电解质具有高的安全性和优异的力学性能，能与正负极良好接触，还兼具低成本的特点，被认为是锂金属电池中最具有潜力的电解质之一。然而，聚合物固态电解质的离子电导率很低，室温下仅仅只有10-7～10-6S·cm-1，严重制约了其在锂金属电池中的实际应用。当前主要是通过将无机电解质与聚合物电解质进行复合，利用无机电解质离子电导率高的特点，提升整体的离子电导率，同时依旧保持良好的兼容性，综合了二者的优势，从而实现提升性能的目的。然而，主流的复合电解质中，无机电解质和无定形态的聚合物电解质都能够提供Li+传输的通道，Li+的传输速度也取决于无机相颗粒在聚合物相中的分散程度以及聚合物相的无定形程度；同时，由于无机颗粒的尺寸不均匀，导致无机相和聚合物相的接触较小，并且较难改变聚合物相的结晶状态，实际上对于离子电导率的提升较为有限，这也极大阻碍了固态锂金属电池的商业化应用。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高离子电导率的固态电解质的制备方法。
本发明提供了一种双聚合物体系的固态电解质的制备方法，包括：
S1)将聚合物电解质溶解于有机溶剂，避光搅拌直至完全溶解；
S2)加入光聚合聚合物电解质和引发剂并避光搅拌，直至完全溶解形成透明溶液；
S3)加入锂盐并充分搅拌至透明，随后在紫光灯下进行光聚合10-20分钟；
S4)真空烘干，制得富含锂盐的固态电解质膜。
优选的，所述聚合物电解质为聚偏二氟乙烯六氟丙烯(PVDF-HFP)、偏二氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)中的一种或几种，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)中的一种或几种。
优选的，所述聚合物电解质的质量和有机溶剂的质量之比为1～3:10，搅拌时间为3～10小时。
优选的，所述光聚合聚合物电解质为聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇丙烯酸酯(PEGDA)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)、聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE)中的一种或几种，引发剂为硫酸胺和四甲基乙二胺混合物(APS/TMEDA)、2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)丁酮(369光引发剂)、1-(4-(2-羟乙氧基)-苯基)-2-羟基-2甲基丙酮、2-羟乙基丙烯酸甲酯(HEMA)中的一种或几种。
优选的，所述光聚合聚合物电解质的质量和聚合物电解质的质量之比为1～40:10，引发剂的质量与光聚合电解质的质量之比为1～5:100，搅拌时间为0.5～3小时。
优选的，所述锂盐为双氟磺酸亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)中的一种或几种。
优选的，所述锂盐的质量与聚合物(聚合物电解质和光聚合聚合物电解质)的质量之比为1:1，搅拌时间为2～10小时，紫光灯功率为6～10W，光聚合时间为10～60分钟。
优选的，所述烘干温度为60～80℃，时间为1～24小时。
优选的，所述所有步骤搅拌转速为每分钟600～1000转。
与现有技术相比，本发明采用PVDF-HFP和PEGDA的双聚合物体系，通过交联聚合形成聚合物网络，改善了固态电解质的强度，并提供了丰富的与无机相结合的位点；采用易离解的LiFSI作为无机电解质，能够促进PVDF-HFP无定形区的形成，提供Li+扩散的快速通道，极大地提升了室温下固态电解质整体的离子电导率；同时，该制备方法简单，可通过调节比例、光聚合条件等优化固态电解质的性能。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种双聚合物体系的固态电解质的制备方法，包括：
S1)将聚合物电解质溶解于有机溶剂，避光搅拌直至完全溶解；
S2)加入光聚合聚合物电解质和引发剂并避光搅拌，直至完全溶解形成透明溶液；
S3)加入锂盐并充分搅拌至透明，随后在紫光灯下进行光聚合10-20分钟；
S4)真空烘干，制得富含锂盐的固态电解质膜。
其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种碳膜包覆的三维集流体的制备方法进行详细描述。
实施例1
1)按照1:0.1:10:0.002:1.1的质量比例分别称取PVDF-HFP、PEGDA、DMF、369光引发剂和LiFSI。将PVDF-HFP加入DMF中，以650转/分钟的速度搅拌5小时；
2)将PEGDA和369光引发剂同时加入，保持转速搅拌2小时；加入LiFSI继续搅拌5小时；
3)将溶液倒入培养皿中，用6～10W紫外线灯照射20分钟，随后将培养皿放在60℃烘箱中烘干5小时，得到固态电解质膜。
将实施例1中得到的固态电解质装配不锈钢/固态电解质/不锈钢电池，在25℃下测试该固态电解质离子电导率为8.2·10-4S·cm-1。
实施例2
1)按照1:0.2:10:0.004:1.2的质量比例分别称取PVDF-HFP、PEGDA、DMF、369光引发剂和LiFSI。将PVDF-HFP加入DMF中，以600转/分钟的速度搅拌3小时；
2)将PEGDA和369光引发剂同时加入，保持转速搅拌1小时；加入LiFSI继续搅拌3小时；
3)将溶液倒入培养皿中，用6～10W紫外线灯照射20分钟，随后将培养皿放在60℃烘箱中烘干3小时，得到固态电解质膜。
将实施例1中得到的固态电解质装配不锈钢/固态电解质/不锈钢电池，在25℃下测试该固态电解质离子电导率为5.8·10-4S·cm-1。
Claims (9)
1.一种新型固态电解质的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
S1)将聚合物电解质溶解于有机溶剂，避光搅拌直至完全溶解；
S2)加入光聚合聚合物电解质和引发剂并避光搅拌，直至完全溶解形成透明溶液；
S3)加入锂盐并充分搅拌至透明，随后在紫光灯下进行光聚合10-20分钟；
S4)真空烘干，制得富含锂盐的固态电解质膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中聚合物电解质为聚偏二氟乙烯六氟丙烯(PVDF-HFP)、偏二氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)中的一种或几种，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中聚合物电解质的质量和有机溶剂的质量之比为1～3:10，搅拌时间为3～10小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中光聚合聚合物电解质为聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇丙烯酸酯(PEGDA)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)、聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE)中的一种或几种，引发剂为硫酸胺和四甲基乙二胺混合物(APS/TMEDA)、2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)丁酮(369光引发剂)、1-(4-(2-羟乙氧基)-苯基)-2-羟基-2甲基丙酮、2-羟乙基丙烯酸甲酯(HEMA)中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中光聚合聚合物电解质的质量和1)中聚合物电解质的质量之比为1～40:10，引发剂的质量与光聚合电解质的质量之比为1～5:100，搅拌时间为0.5～3小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中锂盐为双氟磺酸亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中锂盐的质量与聚合物(聚合物电解质和光聚合聚合物电解质)的质量之比为1:1，搅拌时间为2～10小时，紫光灯功率为6～10W，光聚合时间为10～60分钟。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4的烘干温度为60～80℃，时间为1～24小时。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所有步骤搅拌转速为每分钟600～1000转。
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