一种聚酰胺基固态电解质及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚酰胺基固态电解质及其制备方法。本发明专利技术所述的聚酰胺基固态电解质包含至少一种聚酰胺高分子聚合物与锂盐，还可以包含无机惰性填料、快离子导体、有机多孔填料。其中，聚酰胺高分子聚合物可以包含聚氨基酸高分子聚合物、脂肪族聚酰胺高分子聚合物、脂环族聚酰胺高分子聚合物、全芳香族聚酰胺高分子聚合物、半芳香族聚酰胺高分子聚合物、非苯芳香族聚酰胺高分子聚合物、氟化聚酰胺高分子聚合物、含磺酸盐聚酰胺高分子聚合物、含磺酰亚胺盐聚酰胺高分子聚合物以及含有机阳离子基团聚酰胺高分子聚合物。

【技术实现步骤摘要】
一种聚酰胺基固态电解质及其制备方法
本专利技术属于聚合物电解质材料领域，具体涉及一种聚酰胺高分子聚合物固态电解质材料及其制备方法，本专利技术的聚酰胺高分子聚合物固态电解质材料可以用于制备锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、无污染等优点，目前已经广泛应用于小型储能设备、汽车动力装置及电网储能等。然而，商业化锂离子电池多使用有机电解液，存在一定的安全隐患。当电池内部发生短路、温度升高时，电极表面的SEI膜被破坏，电解液会与电极发生化学反应，产生易燃易爆气体；随着温度的继续升高，电池可能会发生燃烧、爆炸。并且，这种安全隐患以现在的技术还很难预测和检验。发展基于固态电解质的锂离子电池是解决现有液态锂离子电池安全隐患非常有效的途径。固态电池具有许多优点，1.固态电解质不挥发、一般不可燃，具有较高的安全性；2.一些固态电解质材料具有较宽的电化学窗口，有望提高电池的能量密度；3.相比于多孔凝胶电解质及浸润液体电解液的多孔隔膜，固态电解质更加致密，且具有较高的强度和硬度，能够有效阻止锂枝晶，可以提高电池的安全性；4.固态电解质能够在较宽的温度范围内保持稳定，尤其适合在高温下工作。固态电解质分为无机固态电解质和有机固态电解质两类。专利技术专利CN201610607959.0公开了一种LiBaLaZrAlREWO锂离子固态电解质的制备方法，将物料在178～190℃下保温后在810-990℃下灼烧，然后压制成片，最后在1160～1200℃下灼烧得到锂离子固态电解质。该电解质的锂离子电导率为10-3S/cm。虽然该材料室温离子电导率较高，但是脆性较大，制备工艺复杂、条件苛刻，生产成本非常高，难以跟现有的锂离子电池生产设备兼容。有机固态电解质膜主要由锂盐和聚合物组成。锂离子与聚合物中的官能团相互作用，发生络合-解络合-再络合过程，通过高分子链段的热运动实现锂离子的迁移。目前广泛研究的是PEO体系的固态电解质，而常见的PEO-锂盐复合电解质存在许多缺点，室温电导率低，一般在10-6S/cm；复合聚合物电解质的粘度大，机械强度低，导致电解质材料的机械加工性能差，在加工成型过程中脱模困难，成品率低。在对此进行研究之后，本专利技术人发现，酰胺基团与锂离子有一定的络合作用，有利于锂盐解离，具有较高的锂离子电导率。同时，聚酰胺高分子聚合物具有良好的综合性能如耐热性、阻燃性，且对于锂片稳定，作为固态电解质安全性较高。聚酰胺高分子聚合物与快离子导体良好的键合作用还能提高电解质的机械强度与韧性。以上的诸多性能都表明聚酰胺高分子聚合物是理想的固态电解质材料。
技术实现思路
本专利技术的第一方面，提供一种聚酰胺基固态电解质，本专利技术的聚酰胺基固态电解质为全固态电解质，所述聚酰胺基固态电解质包括至少一种聚酰胺高分子聚合物和锂盐。所述聚酰胺高分子聚合物为重复单元中包含酰胺键的高分子聚合物，所述聚酰胺高分子聚合物至少包含一种重复单元，所述聚酰胺高分子聚合物的重复单元选自化学式1或2，化学式1：-NH-R1-NH-CO-R2-CO-化学式2：-NH-R3-CO-R1、R2、R3基团彼此独立地选自包含脂肪族基团、脂环族基团、含苯芳香族基团、非苯芳香族基团、含硅基团或其组合的任意二价基团。脂肪族基团表示链状脂肪烃基团或其衍生物，对本专利技术而言，脂肪族基团不包含脂环族基团。脂环族基团表示脂环烃基团或其衍生物基团。芳香族基团表示芳香烃基团或其衍生物。含硅基团表示主链由硅氧连接的基团，可以在侧链通过硅原子连接任意基团。这里所述的衍生物包括含O、S、N等元素的衍生物，例如含醚、醇、羧酸、酯、酮、硝基、腈、酚等官能团的衍生物。R1、R2、R3可以包含氟代基团、含磺酸盐基团、含磺酰亚胺盐基团、有机阳离子基团。在另一优选例中，所述聚酰胺高分子聚合物为均聚物。在另一优选例中，所述聚酰胺高分子聚合物为共聚物，所述共聚物是指由两种或两种以上的单体共聚而成的聚合物。所述共聚物可以是二元共聚物，也可以是三元共聚物，还可以是多元共聚物。所述共聚物包括交替、嵌段、无规或接枝共聚物等。其中，交替共聚物为两个共聚单体在大分子链上严格交替排列的结构。嵌段共聚物为两种或两种以上聚合物链段连接而成的结构，包括二嵌段共聚物、三嵌段共聚物、多嵌段共聚物等。无规共聚物为两个或多个共聚单体在大分子链上随机分布排列的结构。接枝共聚物为两种或多种单体经接枝共聚而成的共聚物。本专利技术聚酰胺基固态电解质中的聚酰胺高分子聚合物可以是聚氨基酸，所述聚氨基酸的聚合单体可以是天然氨基酸或非天然氨基酸。在另一优选例中，所述聚氨基酸为聚合单体选自α-氨基酸的一类聚酰胺高分子聚合物。对于聚氨基酸高分子聚合物的聚合单体种类没有特别的限制，可以根据实际需求进行选择。例如可以举出甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、色氨酸、酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸等。具体地，聚氨基酸可以是聚甘氨酸、聚丙氨酸、聚缬氨酸、聚亮氨酸、聚异亮氨酸、聚苯丙氨酸、聚脯氨酸、聚色氨酸、聚酪氨酸、聚丝氨酸、聚半胱氨酸、聚蛋氨酸、聚苏氨酸、聚天冬氨酸、聚谷氨酸、聚赖氨酸、聚精氨酸、聚组氨酸等。本专利技术聚酰胺基固态电解质中的聚酰胺高分子聚合物可以是脂肪族聚酰胺高分子聚合物，所述脂肪族聚酰胺高分子聚合物的重复单元选自化学式1或化学式2。重复单元中R1、R2、R3彼此独立地选自直链脂肪族基团、支链脂肪族基团等中的一种或多种。在另一优选例中，所述脂肪族聚酰胺高分子聚合物选自直链脂肪族聚酰胺高分子聚合物或支链脂肪族聚酰胺高分子聚合物，重复单元中，R1、R2、R3彼此独立地选自直链烷基或其衍生物、支链烷基或其衍生物，所述衍生物包括醚、醇、羧酸、酯、酮、硝基、腈等衍生物。所述直链烷基或其衍生物、支链烷基或其衍生物的碳原子数为1～100，优选为1～20，更优选为2～12。R1、R2或R3中的一部分还可以选自含硅基团。R1、R2、R3还可以包含氟代基团、含磺酸盐基团、含磺酰亚胺盐基团、有机阳离子基团。在另一优选例中，所述直链脂肪族聚酰胺高分子聚合物的重复单元选自化学式1或化学式2，其中R1、R2、R3彼此独立地选自-(CH2)z-,z为1～100，优选为1～20，更优选为2～12。本专利技术聚酰胺基固态电解质中的聚酰胺高分子聚合物可以是脂环族聚酰胺高分子聚合物，所述脂环族聚酰胺高分子聚合物的重复单元选自化学式1或化学式2。在另一优选例中，所述脂环族聚酰胺高分子聚合物选自半脂环族聚酰胺高分子聚合物。半脂环族聚酰胺高分子聚合物重复单元选自化学式1，R1、R2中只有一个含有脂环族基团，另一个含有除脂环族基团外的其他任意基团。R1、R2中还可以含有其他任意基团如脂肪族基团、含硅基团等一种或多种。R1、R2还可以包含氟代基团、含磺酸盐基团、含磺酰亚胺盐基团、有机阳离子基团。在另一优选例中，所述脂环族聚酰胺高分子聚合物选自全脂环族聚酰胺高分子聚合物。全脂环族聚酰胺高分子聚合物的重复单元选自化学式1或化学式2，R1、R2、R3中均含有脂环族基团。R1、R2、R3中还可以含有其他任意基团如脂肪族基团、含硅基团等一种或多种。R1、R2、R3还可以包含氟代基团、含磺酸盐基团、含磺酰亚胺盐基团、有机阳离子基团。对于上述脂环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚酰胺基固态电解质，其特征在于：所述聚酰胺基固态电解质包含至少一种聚酰胺高分子聚合物和锂盐，所述聚酰胺高分子聚合物为重复单元中包含酰胺键的高分子聚合物，所述聚酰胺高分子聚合物至少包含一种重复单元，所述聚酰胺高分子聚合物的重复单元选自化学式1或2，化学式1：‑NH‑R1‑NH‑CO‑R2‑CO‑化学式2：‑NH‑R3‑CO‑R1、R2、R3基团彼此独立地选自脂肪族基团、脂环族基团、含苯芳香族基团、非苯芳香族基团、含硅基团或其组合的任意二价基团；R1、R2、R3包含或不包含氟代基团、含磺酸盐基团、含磺酰亚胺盐基团、有机阳离子基团。

【技术特征摘要】
1.一种聚酰胺基固态电解质，其特征在于：所述聚酰胺基固态电解质包含至少一种聚酰胺高分子聚合物和锂盐，所述聚酰胺高分子聚合物为重复单元中包含酰胺键的高分子聚合物，所述聚酰胺高分子聚合物至少包含一种重复单元，所述聚酰胺高分子聚合物的重复单元选自化学式1或2，化学式1：-NH-R1-NH-CO-R2-CO-化学式2：-NH-R3-CO-R1、R2、R3基团彼此独立地选自脂肪族基团、脂环族基团、含苯芳香族基团、非苯芳香族基团、含硅基团或其组合的任意二价基团；R1、R2、R3包含或不包含氟代基团、含磺酸盐基团、含磺酰亚胺盐基团、有机阳离子基团。2.如权利要求1所述的聚酰胺基固态电解质，其特征在于，所述聚酰胺高分子聚合物为均聚物或共聚物。3.如权利要求1所述的聚酰胺基固态电解质，其特征在于，所述聚酰胺高分子聚合物选自聚氨基酸。4.如权利要求1所述的聚酰胺基固态电解质，其特征在于，所述聚酰胺高分子聚合物选自脂肪族聚酰胺高分子聚合物、脂环族聚酰胺高分子聚合物、全芳香族聚酰胺高分子聚合物、半芳香族聚酰胺高分子聚合物或非苯环芳香族聚酰胺高分子聚合物,所述脂肪族聚酰胺高分子聚合物的重复单元中，R1、R2、R3彼此独立地选自直链脂肪族基团、支链脂肪族基团中的一种或多种；所述脂环族聚酰胺高分子聚合物的重复单元中，R1、R2中至少一个含有脂环族基团，R3中含有脂环族基团；所述全芳香族聚酰胺高分子聚合物重复单元中，R1、R2、R3中均含有芳香族基团，所述芳香族基团选自单环芳香族基团、多环芳香族基团、稠环芳香族基团中的一种或多种；所述半芳香族聚酰胺高分子聚合物的重复单元选自式1，R1、R2中只有一个含有芳香族基团，所述芳香族基团选自单环芳香族基团、多环芳香族基团、稠环芳香族基团中的一种或多种；所述非苯芳香族聚酰胺高分子聚合物的重复单元中，R1、R2中至少一个含有非苯芳香族基团，R3中含有非苯芳香族基团。5.如权利要求1所述的聚酰胺基固态电解质，其特征在于，所述聚酰胺高分子聚合物选自氟化聚酰胺高分子聚合物、含磺酸盐聚酰胺高分子聚合物、含磺酰亚胺盐聚酰胺高分子聚合物或含有机阳离子基团聚酰胺高分子聚合物；所述氟化聚酰胺高分子聚合物的重复单元中，R1、R2中至少一个含有氟代基团，R3中含有氟代基团；所述氟代基团选自氟代直链脂肪族基团、氟代支链脂肪族基团、氟代脂环族基团、氟代单环芳香族基团、氟代多环芳香族基团、氟代稠环芳香族基团、氟代非苯芳香族基团中的一种或多种；所述氟代基团为单氟代、多氟代或者全氟代基团；R1、R2、R3包含或不包含其他非氟代基团；所述含磺酸盐聚酰胺高分子聚合物的重复单元中，R1、R2中至少一个含有含磺酸盐基团，R3中含有含磺酸盐基团，所述含磺酸盐基团由磺酸盐与直链脂肪族基团、支链脂...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔光磊，丁国梁，姚建华，徐红霞，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37