一种复合聚合物固体电解质及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合聚合物电解质及其制备方法，该电解质包括高分子聚合物、添加剂和有机锂盐；所述添加剂为表面掺杂有极性原子的颗粒，所述极性原子为富电子原子；所述添加剂的加入量为所述高分子聚合物质量的0.2～20％。本发明专利技术通过在复合聚合物电解质中添加掺杂有富电子原子的颗粒作为添加剂，富电子原子的颗粒可以与锂离子发生配位作用，从而破坏锂离子与聚合物的配位作用，降低锂离子对高分子聚合物的传输依赖作用，提升锂离子的自由度，有效提高电解质的离子传输能力，进而提高复合电解质的电导率。

【技术实现步骤摘要】
一种复合聚合物固体电解质及其制备方法
本专利技术涉及聚合物固体电解质
，更具体地，涉及一种复合聚合物固体电解质及其制备方法。
技术介绍
气候变化和不稳定的化石燃料资源给人类带来了复杂的挑战。储能和转换在未来将比以往任何时候都更加重要，因为它们可以减少对可再生能源的依赖。在众多的储能技术中，锂离子电池由于高能量密度、寿命长等优势起着重要的作用。随着现在市场对于电池能量密度日益增长的需求，传统的石墨负极限制了进一步发展。与石墨相比，金属锂有着极高的理论容量(3860mAhg-1)，同时有着最低电极电位(相对于标准氢电极为-3.04V)，是下一代锂离子电池负极材料的最佳选择。但是金属锂在传统的液体电解质中会面临严重的枝晶问题。全固态电池可以充分利用金属锂，同时自身的组装优势可以带来更高的能量密度。通常固体电解质可以分为两类：无机电解质和聚合物电解质。无机电解质虽然有着较高的离子电导率，但是其严重的界面问题会带来大的阻抗，从而极大的限制了实际应用。聚合物电解质有着易成膜、成本低等优点，在未来全固态电池中具有良好的应用潜力。但是聚合物电解质有着很大的缺点：离子电导率低。原因在于：1)聚合物的链段运动能力有限，最常见的PEO聚合物电解质容易结晶，不适宜迁移锂离子；2)锂离子的移动依赖于聚合物的极性原子的配位作用，自由度差，本身移动性差。现有技术一般通过共聚、交联等方法提高离子电导率。然而，这些方法大都复杂繁琐，限制了其在实际生产中的应用。现有的聚合物固体电解质提升电导率的方法，主要聚焦于降低电解质中聚合物结晶度，以提高锂离子的自由度。
技术实现思路
基于此，为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术的目的之一在于提供一种复合聚合物固体电解质，通过在复合聚合物电解质中添加掺杂有富电子原子的添加剂，可以与锂离子发生配位作用，从而破坏锂离子与聚合物的配位作用，降低锂离子对高分子聚合物的传输依赖作用，提升锂离子的自由度，有效提高电解质的离子传输能力，进而提高复合电解质的电导率。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种复合聚合物电解质，包括高分子聚合物、添加剂和有机锂盐；所述添加剂为表面掺杂有极性原子的颗粒，所述极性原子为富电子原子；所述添加剂的加入量为所述高分子聚合物质量的0.2～20％。优选的，所述添加剂的加入量为所述高分子聚合物质量的1～10％。在一些实施方式中，所述富电子原子为N、S、P、F中的至少一种。在一些实施方式中，所述添加剂的平均粒径为2～8nm。在一些实施方式中，所述添加剂为掺杂N、S、P、F中的至少一种的碳量子点。在一些实施方式中，所述高分子聚合物选自聚环氧乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚硅氧烷中的至少一种。在一些实施方式中，所述高分子聚合物的分子量为105～5×106g/mol。在一些实施方式中，所述锂盐选自高氯酸锂、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂、双三氟磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酸锂和草酸二氟硼酸锂中的至少一种。本专利技术的目的之二在于提供上述任一实施方式的复合聚合物固体电解质的制备方法，该方法包括以下步骤：将所述高分子聚合物、掺杂碳点和锂盐溶解在有机溶剂中，搅拌均匀后得到混合溶液，将所述混合溶液浇筑在模板上，然后静置使有机溶剂挥发，再真空干燥，得到所述复合聚合物电解质。在一些实施方式中，所述复合聚合物电解质的厚度为30～300μm。在一些实施方式中，搅拌5～48h；静置1～48h；真空干燥温度微50～120℃。相较于现有技术，本专利技术的有益效果如下：本专利技术将掺杂有富电子原子的颗粒作为添加剂应用于聚合物固体电解质体系中，富电子原子可以与锂离子发生配位作用而破坏锂离子与高分子聚合物的配位作用，降低锂离子对高分子聚合物(如PEO等)的传输依赖作用，提升锂离子的自由度，有效提高聚合物固体电解质的离子传输能力，进而提高复合电解质的电导率。另外，添加剂颗粒的加入还可以破坏高分子聚合物的结晶，进一步促进锂离子的传导。本专利技术优选使用平均粒径为2～8nm的纳米级颗粒作为添加剂，在制备聚合物电解质的过程中，添加剂分散均匀，可以进一步破坏高分子聚合物的结晶，有助于锂离子在高分子聚合物内部的传导，进而提高聚合物固体电解质的电导率。具体实施方式在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是本专利技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似改进，因此本专利技术不受下面公开的具体实施的限制。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。实施例1一、添加剂的制备制备氮掺杂的碳量子点，具体步骤如下：将960mg的柠檬酸和347mL的乙二胺溶解加入10mL的去离子水中，放置在微波炉中加热2min，冷却至室温后得到黄色固体；用5mL水稀释得到的黄色固体，得到黄色悬浮液，将该黄色悬浮液透析2d，得到氮掺杂的碳量子点。经测试，制得的碳量子点粒径为3～5nm。二、复合聚合物固体电解质的制备将分子量2×106g/mol的聚氧乙烯、高氯酸锂、添加剂(上述制得的氮掺杂的碳量子点)加入无水乙腈溶剂中，室温下搅拌24h后浇筑在模具上，静置，室温挥发24h，然后真空干燥得到复合聚合物固体电解质；其中，高氯酸锂与聚氧乙烯中聚乙烯链段的摩尔比为1:20，添加剂加入量为聚氧乙烯质量的3％。制得的复合聚合物固体电解质厚度为100μm。将制得的复合聚合物固体电解质在室温条件下按本领域常规方法测试离子电导率，测试结果为：离子电导率为1.5×10-4S/cm。实施例2一、添加剂的制备制备氮掺杂的碳量子点，具体步骤如下：将960mg的柠檬酸和347mL的乙二胺溶解加入10mL的去离子水中，放置在微波炉中加热2min，冷却至室温后得到黄色固体；用5mL水稀释得到的黄色固体，得到黄色悬浮液，将该黄色悬浮液透析2d，得到氮掺杂的碳量子点。经测试，制得的碳量子点粒径为3～5nm。二、复合聚合物固体电解质的制备将分子量2×106g/mol的聚氧乙烯、双三氟磺酰亚胺锂、添加剂(上述制得的氮掺杂的碳量子点)加入无水乙腈溶剂中，室温下搅拌24h后浇筑在模具上，静置，室温挥发24h，然后真空干燥得到复合聚合物固体电解质；其中，双三氟磺酰亚胺锂与聚氧乙烯中聚乙烯链段的摩尔比为1:20，添加剂加入量为聚氧乙烯质量的3％。制得的复合聚合物固体电解质厚度为95μm。经测试，本实施例制得的复合聚合物固体电解质离子电导率为1.8×10-4S/cm。实施例3一、添加剂的制备制备氮硫共掺杂的碳量子点，具体步骤如下：将25mL磺酰胺溶液(0.01M)和0.735g柠檬酸钠加入到50mL内衬聚四本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合聚合物电解质，其特征在于，包括高分子聚合物、添加剂和有机锂盐；所述添加剂为表面掺杂有极性原子的颗粒，所述极性原子为富电子原子；所述添加剂的加入量为所述高分子聚合物质量的0.2～20％。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合聚合物电解质，其特征在于，包括高分子聚合物、添加剂和有机锂盐；所述添加剂为表面掺杂有极性原子的颗粒，所述极性原子为富电子原子；所述添加剂的加入量为所述高分子聚合物质量的0.2～20％。


2.根据权利要求1所述的复合聚合物电解质，其特征在于，所述富电子原子为N、S、P、F中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的复合聚合物电解质，其特征在于，所述添加剂的平均粒径为2～8nm。


4.根据权利要求1所述的复合聚合物电解质，其特征在于，所述添加剂为掺杂N、S、P、F中的至少一种的碳量子点。


5.根据权利要求1-4任一项所述的复合聚合物电解质，其特征在于，所述高分子聚合物选自聚环氧乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚硅氧烷中的至少一种。


6.根据权利要求5所述的复合聚合物电解质，其特征在于，所述高分子聚合物的分子量...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪效波，徐来强，侯红帅，邹国强，李佳阳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43