一种离子液体聚合物固态电解质及其制备方法和应用

本发明涉及聚合物固态电解质材料，尤其涉及一种离子液体聚合物固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、锂离子电池因其功率密度和能量密度高、可快速充电、循环性好、工作电压高等优点，成为当前主流便携式移动储能设备。传统锂离子电池采用常规有机液体电解质，其具有高化学活性、高挥发性、热不稳定性、易燃等缺陷，导致电池出现腐蚀、污染、爆炸等一系列问题，严重影响锂离子电池的安全应用。另外，锂离子电池负极一般采用石墨材料，虽然性能稳定，安全性高，但比容量低，无法得到体积小、质量轻的高容量锂离子电池。使用高比容量和低电位的金属锂作为负极可以满足锂离子电池高能量密度、体积小、质轻携带方便等需求，但锂金属液态电池在工作过程中伴随锂离子的嵌入和脱出，在锂金属负极表面形成锂枝晶，会降低电池循环性能，造成电池短路，甚至引起爆炸和火灾等安全事故。

2、因此，需要开发一种有良好离子电导率、电化学和热力学稳定性以及较好机械性能的聚合物固态电解质，开发具有安全可靠、高能量密度、方便携带、高功率密度、可持续工作、不受时间和地域影响的可再生绿色能源储能设备，对于解决燃油汽车释放大量co2的难题，实现环境保护可持续发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种离子液体聚合物固态电解质及其制备方法和应用，对于解决现有锂离子电池中液体电解质易泄露，存在安全隐患，全固态电解质膜又存在电导率低及界面相容性差等问题具有重要意义。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将聚氧化乙烯、离子液体a、锂盐、溶剂、交联剂和光引发剂混合，得到溶液1；

5、将溶液1滴铸在玻璃片上，顺次进行紫外固化、加热，得到离子液体聚合物固态电解质。

6、进一步的，步骤1)中，混合前对聚氧化乙烯进行干燥，所述干燥的温度为50～60℃，干燥的时间为12～24h；

7、所述溶剂为二甲基亚砜、四氢呋喃、n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基甲酰胺或乙腈。

8、进一步的，步骤1)中，聚氧化乙烯和溶剂的质量体积比为1g：20～100ml，锂盐与离子液体a的摩尔比为1：1～6；

9、离子液体a的质量为聚氧化乙烯、离子液体a、锂盐、溶剂、交联剂和光引发剂质量之和的10～60％；

10、交联剂的质量为离子液体a与锂盐质量之和的1～10％，光引发剂的质量为离子液体a与锂盐质量之和的0.5～10％。

11、进一步的，所述锂盐为高氯酸锂、六氟磷酸锂、六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、三氟甲基磺酸锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种；

12、所述交联剂为乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、n,n-亚甲基双丙烯酰胺或2-苯氧乙基丙烯酸酯；

13、所述光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮、苯甲酰甲酸甲酯或2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦；

14、所述混合的转速为500～600r/min，混合的时间为10～20min。

15、进一步的，步骤1)中，所述离子液体a的制备方法，包括以下步骤：

16、(1)将1,3-丙基-2-r2烷基磺内酯的甲苯溶液滴加到咪唑衍生物的乙腈溶液中进行搅拌混合，得到白色沉淀；

17、(2)将白色沉淀顺次进行洗涤、抽滤、干燥，得到离子液体a；

18、咪唑衍生物为1-r1烯基咪唑或1-乙烯基咪唑，咪唑衍生物的结构式为：

19、

20、1,3-丙基-2-r2烷基磺内酯的结构式为：

21、

22、离子液体a的结构式为：

23、

24、其中，r1为碳原子的个数为1～7的碳链，r2为碳链或氢；当r2为碳链时，r2中碳原子的个数为1～10。

25、进一步的，步骤(1)中，咪唑衍生物的乙腈溶液中，咪唑衍生物与乙腈的质量体积比为5～15g：30～40ml，1,3-丙基-2-r2烷基磺内酯的甲苯溶液中，1,3-丙基-2-r2烷基磺内酯与甲苯的质量体积比为10～20g：5～13ml；

26、滴加的速度为0.3～1滴/s，搅拌混合的转速为500～600r/min，温度为45～60℃，时间为1.5～3h。

27、进一步的，步骤(2)中，所述干燥的温度为45～60℃，时间为12～24h。

28、进一步的，步骤2)中，所述紫外固化的波长为330～380nm，紫外固化的时间为8～15min，加热的温度为40～50℃，加热的时间为4～5h。

29、本发明提供了所述制备方法制备得到的离子液体聚合物固态电解质。

30、本发明还提供了所述离子液体聚合物固态电解质在锂离子电池中的应用。

31、本发明的有益效果：

32、本发明的优点在于含亲锂基团离子液体可以作为聚合物固态电解质的聚合物基质，既保证了足够的机械强度，同时也可以降低聚氧化乙烯基质的结晶度，形成高效稳定的li+通道运输锂离子，保证了常温下也有较高的离子电导率。本发明制备的离子液体聚合物固态电解质有出色的离子传输能力，在30℃下的离子电导率可以达到1.44×10-2s/cm，同时还表现出较宽的电化学稳定窗口、与锂金属具有优异的界面相容性、且在室温乃至极端低温环境中均能表现出优异的循环稳定性。

技术特征：

1.一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤1)中，混合前对聚氧化乙烯进行干燥，所述干燥的温度为50～60℃，干燥的时间为12～24h；

3.根据权利要求1或2所述一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤1)中，聚氧化乙烯和溶剂的质量体积比为1g：20～100ml，锂盐与离子液体a的摩尔比为1：1～6；

4.根据权利要求3所述一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，所述锂盐为高氯酸锂、六氟磷酸锂、六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、三氟甲基磺酸锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种；

5.根据权利要求1或2或4所述一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述离子液体a的制备方法，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，咪唑衍生物的乙腈溶液中，咪唑衍生物与乙腈的质量体积比为5～15g：30～40ml，1,3-丙基-2-r2烷基磺内酯的甲苯溶液中，1,3-丙基-2-r2烷基磺内酯与甲苯的质量体积比为10～20g：5～13ml；

7.根据权利要求6所述一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述干燥的温度为45～60℃，时间为12～24h。

8.根据权利要求1或2所述一种离子液体聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述紫外固化的波长为330～380nm，紫外固化的时间为8～15min，加热的温度为40～50℃，加热的时间为4～5h。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的离子液体聚合物固态电解质。

10.权利要求9所述离子液体聚合物固态电解质在锂离子电池中的应用。

技术总结本发明提供了一种离子液体聚合物固态电解质及其制备方法和应用，属于聚合物固态电解质材料技术领域。离子液体聚合物固态电解质主要是由聚合物基质、离子液体A和锂盐组成，采用紫外交联法制备得到，具体是将聚氧化乙烯、离子液体A、锂盐、溶剂、交联剂和光引发剂混合后滴铸至玻璃片上，顺次进行紫外固化、加热后得到。本发明的离子液体聚合物固态电解质具有出色的离子传输能力，室温离子电导率可以达到1.44×10<supgt;‑2</supgt;S/cm，同时还表现出较宽的电化学稳定窗口，与锂金属具有优异的界面相容性，且在室温乃至极端低温环境中均能表现出优异的循环稳定性。技术研发人员：郭慧娟,谢雅鑫,舒锐,易群,史利娟,梁宇琪,蒋祥受保护的技术使用者：武汉工程大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18