CN115117437A - 固态电解质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态电解质材料及其制备方法，该固态电解质材料由含有电子转移络合物的聚合物和离子源构成。含有电子转移络合物的聚合物由一种或者几种电子给体聚合物和一种或几种电子受体组成，含有电子转移络合物的聚合物与离子源相互作用，解离离子并形成离子通道。该固态电解质材料具有极高的离子电导率，室温可以达到1×10‑4S/cm以上，且可以用于传导多种离子体系。
Description
技术领域
本发明涉及电化学储能领域，特别涉及一种固态电解质，及其制备方法及包含该固态电解质的应用。
背景技术
近年来，锂离子电池快速发展，由于其循环性能好，能量密度高，可用快充快放，锂电池在消费电子行业的商业化取得了巨大成功。随着锂离子电池在储能、动力方面的应用的扩展，锂离子电池的能量密度和循环寿命的要求不断提高，而锂离子电池的安全隐患也更加明显。使用不流动的，不易燃的固态电解质替代液态电解质作为电池中的离子传导媒介被认为是锂电池安全问题解决的重要路线。
可以商业化使用的固态电解质材料需要有以下优势：
1)室温下良好的离子电导率；
2)高的电化学窗口；
3)与活性材料低界面电阻；
4)易于加工成型；
5)良好的热稳定性和化学稳定性；
6)生产及使用成本低廉。
目前固态电解质有硫化物、氧化物、聚合物等分类，硫化物固态电解质体系具有很高的室温电导率，但材料不稳定，生产条件和使用条件需求都非常苛刻，整体成本高；氧化物固态电解质具有可用的离子电导率，但材料硬度高且脆，界面接触阻抗过大不利于使用；聚合物固态电解质容易加工成型，具有较低的界面阻抗，但室温下的聚合物固态电解质的电导率普遍较低，不能在室温下满足使用需求。因此，研发一种满足电池应用中要求的材料电导率高，且与活性物质具有低界面阻抗的固态电解质材料显得非常重要。
发明内容：
针对现有固态电解质存在的上述问题，本发明提供了一种固态电解质，其可以满足电池及其他电化学器件使用的需求。
根据本发明的发明目的之一，本发明提供了一种固态电解质，由至少一种电子转移络合物、至少一种离子源组成，所述固态电解质电导率各向同性，且室温下离子电导率大于等于1×10-4S/cm，优选地，为(1×10-4-1×10-2)S/cm；
所述至少一种电子转移络合物由至少一种电子给体分子和至少一种电子受体分子形成，其中至少一种电子转移络合物的电子给体分子为具有重复单元的聚合物。
所述电子转移络合物占各组分的体积比大于40％。
所述电子转移络合物室温下为固体。
所述电子转移络合物中至少一种电子给体具有共轭结构并且具有可以发生离域的π电子。
所述电子转移络合物中至少一种电子给体具有苯环或者杂环结构。其中杂原子可以为氮、硫、氧、硼。
所述电子转移络合物中电子给体的分子量大于100g/mol。
所述电子给体聚合物结晶度小于30％或者无定型态。
所述电子转移络合物中电子受体的电子亲和能大于1.3eV。优选的，其中电子受体为醌类化合物，或者具有吸电子基团取代的乙烯基化合物。
所述电子转移络合物中每个电子给体均与至少一个电子受体形成电子转移络合物。
所述固态电解质使用的离子源可以选用电解质盐，具有阴离子和阳离子。
所述固态电解质的离子源至少含有一种可以迁移的阳离子；优选地，阳离子为锂离子、钠离子、钾离子、镁离子或铝离子。
所述固态电解质的离子源至少含有一种可以迁移的阴离子；优选地，阴离子为氯离子、氟离子、碳酸根离子、六氟磷酸根离子、高氯酸根离子、氢氧根离子。
所述固态电解质中电子转移络合物的电子受体与电子给体的摩尔比为0.2:1-1.2:1。优选地，电子受体与电子给体的摩尔比为0.9:1-1.1:1。
所述固态电解质中离子源与电子转移络合物受体的摩尔比为0.1：1-3:1。优选地，离子源与电子转移络合物受体的摩尔比为0.9:1-1.1:1。
所述固态电解质中每升体积中至少含有0.5mol离子源。
作为本发明的另一项发明目的，本发明提供了上述固态电解质的制备方法，所述固态电解质通过以下任一方法制备得到：
方法a)：将电子转移络合物组分与离子源充分混合后，加热充分反应，得到固态电解质材料；
方法b)：将所述电子转移络合物组分与离子源溶液混合均匀后加热反应，除去溶剂得到固态电解质材料。
在本发明中，该固态电解质具有极高的离子电导率，室温可以达到1×10-4S/cm以上，且可以传导各种离子体系，能够广泛应用于制备电化学器件。
附图说明：
图1是本发明实施例1-1制备的固态电解质片的外部形貌图；
图2是本发明实施例1-1中制备的PS-TCNE-NaOH固态电解质片的电化学阻抗图；
图3是本发明实施例1-2中制备的PPSU-CL-LiTFSI固态电解质片的电化学阻抗图；
图4是本发明实施例1-6中制备的PC-TCNE-NaOH固态电解质的电导率随着离子源含量的变化趋势图。
具体实施方式：
以下为本发明固态电解质材料的制备实施例。
实施例1-1
将聚苯乙烯(PS)与四氰乙烯(TCNE)以及氢氧化钠(NaOH)按照单体摩尔比1:0.8：0.5在230摄氏度加热加压制备电子转移络合物PS-TCNE-NaOH固态电解质材料厚片，如图1所示。对该固态电解质片的进行电化学阻抗测试，结果如图2所示。计算得到固态电解质的电导率为0.8mS/cm。
实施例1-2
聚亚苯基砜(PPSU)与四氯苯醌(CL)与双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)按照单体摩尔比1:1.1：0.92在250摄氏度加热加压制备电子转移络合物PPSU-CL-LiTFSI固态电解质材料厚片。对该固态电解质片的进行电化学阻抗测试，结果如图3所示。计算得到固态电解质的电导率为0.1mS/cm。
实施例1-3
聚亚苯基砜(PPSU)与二氯二氰苯醌(DDQ)与氯化镁(MgCl2)按照单体摩尔比1:1.1：1.3在250摄氏度加热加压制备电子转移络合物PPSU-DDQ-MgCl2固态电解质材料厚片。对该固态电解质片的进行电化学阻抗测试，测试固态电解质的电导率为1.1mS/cm。
实施例1-4
将2,2'-双(4-羟基苯基)丙烷聚碳酸酯(PC)与二氯二氰苯醌(DDQ)及1mol/L高氯酸锂(LiClO4)的碳酸甲乙酯溶液按照摩尔比1:1：0.9混合，在260摄氏度加热制备电子转移络合物PC-DDQ-LiClO4。对得到的固态粉末加压制备固态电解质厚片。测试固态电解质的电导率为0.7mS/cm。
实施例1-5
将聚苯乙烯(PS)与四氰基对二次甲基苯醌(TCNQ)及1mol/L双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)的碳酸甲乙酯溶液按照单体摩尔比1:0.8：0.9在230摄氏度加热制备电子转移络合物PS-TCNQ-LiTFSI。对得到的固态粉末加压制备固态电解质厚片，制备固态电解质。测试固态电解质的电导率为2.1mS/cm。
实施例1-6
2,2'-双(4-羟基苯基)丙烷聚碳酸酯(PC)与四氰乙烯(TCNE)按照单体摩尔比1:1混合，再将上述混合物与不同比例的双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)盐混合，在260摄氏度加热制备具有不同比例的电子转移络合物PC-TCNE-LiTFSI。将含有不同量离子源的固态电解质材料压成厚片，测量其电导率结果如图4。
表1：各实施例与对比例固态电解质参数
| 序号 | 厚度(μm) | 电阻(Ω) | 电导率(10<sup>-3</sup>S/cm) |
| 实施例1-1 | 840 | 220 | 0.8 |
| 实施例1-2 | 920 | 2351 | 0.1 |
| 实施例1-3 | 790 | 145 | 1.1 |
| 实施例1-4 | 650 | 195 | 0.7 |
| 实施例1-5 | 600 | 58 | 2.1 |
Claims (11)
1.一种固态电解质，由至少一种电子转移络合物、至少一种离子源组成，其特征在于，所述固态电解质电导率各向同性，且室温下离子电导率大于等于1×10-4S/cm，优选地，为(1×10-4-1×10-2)S/cm；
所述至少一种电子转移络合物由至少一种电子给体分子和至少一种电子受体分子形成，其中至少一种电子转移络合物的电子给体分子为具有重复单元的聚合物。
2.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述电子转移络合物占总体积比大于40％。
3.根据权利要求2所述的固态电解质，其特征在于，其中至少一种电子转移络合物的电子给体的分子具有共轭结构并且具有可以离域的π电子，优选地，具有苯环或杂环的结构，杂原子可以为氮、硫、氧或硼，电子给体的分子量大于100g/mol。
4.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述聚合物的结晶度小于30％或为无定形态。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的固态电解质，其特征在于，其中电子受体分子的电子亲和能大于1.3eV；优选地，电子受体分子为醌类化合物，或者具有吸电子基团取代的乙烯基化合物。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的固态电解质，其特征在于，每个电子给体分子均与至少一个电子受体分子形成电子转移络合物。
7.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，其中离子源可以选用盐类，优选地，所述盐类含有阴离子和阳离子，更优选地，至少含有一种可迁移的阳离子和/或阴离子，更优选地，阳离子为锂离子、钠离子、钾离子、镁离子或铝离子，阴离子为氯离子、氟离子、碳酸根离子、六氟磷酸根离子、高氯酸根离子或氢氧根离子。
8.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述固态电解质中电子转移络合物的电子受体与电子给体的摩尔比为0.2:1-1.2:1。
9.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述固态电解质中离子源与电子转移络合物中电子受体的摩尔比为0.1：1-3:1；优选地，为0.9:1-1.1:1；更优选地，每升体积至少含有0.5mol离子源。
10.一种权利要求1-9任一项所述的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述固态电解质通过以下任一方法制备得到：
方法a)：将电子转移络合物组分与离子源充分混合后，加热充分反应，得到固态电解质材料；
方法b)：将所述电子转移络合物组分与离子源溶液混合均匀后加热反应，除去溶剂得到固态电解质材料。
11.权利要求1-9任一项所述的固态电解质在制备电化学器件中的应用。
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