一种聚碳酸酯凝胶电解质及其应用

本发明涉及一种凝胶电解质及其应用，特别是一种聚碳酸酯凝胶电解质及其在电池中的应用。

背景技术：

1、锂电池具有高能量密度、高电化学窗口、快速充放电、低自放电等优点，是目前应用最为广泛的储能器件之一，在电化学储能领域中表现出巨大的应用价值。但是目前商业锂电池在高温下易发生燃烧和爆炸，且目前的锂电池能量密度已不能满足当前大型设备的长时间运行。因此，开发具有耐高温且高能量密度的锂电池储能器件将成为下一阶段新能源研究的重点方向。

2、电解质材料是影响锂电池性能的关键因素之一。传统的锂电池采用的是有机小分子碳酸酯作为溶剂的液态电解质，优点是锂盐溶解性好，离子电导率高，但其极易燃烧和爆炸。如何通过可控的制备方法合成具有不易燃、耐高温且电化学性能优异的电解质材料仍然具有挑战。

3、近年来，凝胶聚合物电解质材料在锂电池、钠电池、超级电容器等储能领域备受关注。凝胶聚合物电解质(gpe)作为液体电解质和全固态聚合物电解质之间的中间状态，本质是一种固液结合的形式，相对于液态电解质和全固态电解质而言，具有诸多优势：(1)凝胶聚合物电解质具有更好的安全性能，不易燃，不易爆；(2)聚合物结构可控、柔韧性好、与电极界面相容性好；(3)离子电导率高，优异的电化学性能。

4、虽然凝胶电解质相较于传统的液态电解质具有诸多的优点，但是，其也仍然存在不足：(1)由于聚合物结构与材料限制，目前的凝胶聚合物电解质在极端温度下(150℃)不能正常使用；(2)由于凝胶聚合物电解质中仍然存在液态电解质，因此，其机械性能不高、电化学稳定性较差，难以满足装配和高强度使用的要求；(3)由于传统聚合物基底使用的多为电化学窗口相对较低的聚醚(eo)结构，限制了高能量密度正极材料在锂电池中的应用。

5、综上，如何进一步提高凝胶聚合物的电化学窗口以及机械性能，同时，进一步提高电解质的阻燃和耐高温性能，是从业者的重点研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种聚碳酸酯凝胶电解质及其应用。本发明的聚碳酸酯凝胶电解质具有电化学窗口高、机械性能好、电化学性能稳定、抗枝晶生长程度高、阻燃和耐高温性能好的特点。

2、本发明的技术方案：一种聚碳酸酯凝胶电解质，是以静电纺丝pan多孔纤维膜为基底，在浸润可聚合碳酸酯单体、多官能度巯基单体、热引发剂和电解液的混合液后，经热引发聚合制备而成。

3、前述的聚碳酸酯凝胶电解质，所述静电纺丝pan多孔纤维膜的纤维直径350-450nm、厚度20-200μm。

4、前述的聚碳酸酯凝胶电解质，所述可聚合碳酸酯单体的结构通式如下：

5、

6、前述的聚碳酸酯凝胶电解质，所述多官能度巯基单体的官能度大于2。

7、前述的聚碳酸酯凝胶电解质，所述热引发剂为偶氮二异丁腈。

8、前述的聚碳酸酯凝胶电解质，所述电解液是1m lidfob in ec/dmc＝1/1vol％,1mlitfsi in ec/dmc＝1/1vol％,1m litfsi in ec/dec/dmc＝1/1/1vol％,1m lidfob inec/dec/dmc＝1/1/1vol％中的一种。

9、前述的聚碳酸酯凝胶电解质，所述混合液中，可聚合碳酸酯单体和含巯基单体的摩尔比为1:1，电解液的质量与可聚合碳酸酯单体和含巯基单体的总质量的质量比为1:1；所述热引发剂的用量为可聚合碳酸酯单体的质量的1％。

10、前述的聚碳酸酯凝胶电解质，所述热引发聚合是在75-85℃的环境中保温3-5h。

11、一种前述的聚碳酸酯凝胶电解质在锂金属电池中的应用。

12、前述的聚碳酸酯凝胶电解质在电池中的应用，是将所述浸润过混合液后的静电纺丝pan多孔纤维膜与电池的其他组件组装好之后，再进行原位热引发聚合。

13、前述的聚碳酸酯凝胶电解质在电池中的应用，所述的电池的其他组件包括负极壳、弹簧片、不锈钢片、负极、正极和正极壳，组装顺序依次为负极壳、弹簧片、不锈钢片、负极、浸润过混合液后的静电纺丝pan多孔纤维膜、正极和正极壳。

14、本发明的有益效果

15、1、本发明凝胶电解质以静电纺丝pan多孔纤维膜为基底，通过浸润可聚合碳酸酯单体、多官能度巯基单体、热引发剂和电解液的混合液后热引发聚合形成，碳酸酯基团的加入显著提高了电解质的氧化电位，使其具有非常高的电化学窗口(＞5.2v)。

16、2、本发明通过静电纺丝pan多孔纤维膜与聚碳酸酯的聚合物形成互穿交联网络结构，极大的提高了凝胶电解质的机械性能；同时，聚碳酸酯是在纳米纤维状pan结构的三维网络空隙中原位聚合形成的，极大的提高了凝胶电解质表面的平整性、均匀性。

17、3、本发明通过可聚合碳酸酯单体在纳米纤维状pan结构的三维网络空隙中，与多官能度巯基单体原位聚合形成交联网络结构，极大的提高了凝胶电解质与电极的界面接触面积，有利于抑制锂枝晶的生长，具有抗枝晶生长程度更高的优点。

18、4、本发明采用耐高温性能好的碳酸酯聚合物和静电纺丝pan多孔纤维膜作为电解质的基底，能够极大提高凝胶电解质的阻燃和耐高温性能。

19、5、本发明凝胶电解质在应用于锂金属电池时，通过将电解质原料组装成电池之后再进行原位聚合，进一步提高了电解质与电极片之间的相容性，抑制枝晶生长效果更好。

20、综上所述，本发明具有电化学窗口高、机械性能好、电化学性能稳定、抗枝晶生长程度高、阻燃和耐高温性能好的优点。

技术特征：

1.一种聚碳酸酯凝胶电解质，其特征在于：是以静电纺丝pan多孔纤维膜为基底，在浸润可聚合碳酸酯单体、多官能度巯基单体、热引发剂和电解液的混合液后，经热引发聚合制备而成。

2.根据权利要求1所述的聚碳酸酯凝胶电解质，其特征在于：所述静电纺丝pan多孔纤维膜的纤维直径350-450nm、厚度20-200μm。

3.根据权利要求1所述的聚碳酸酯凝胶电解质，其特征在于：所述可聚合碳酸酯单体的结构通式如下：

4.根据权利要求1所述的聚碳酸酯凝胶电解质，其特征在于：所述多官能度巯基单体的官能度大于2。

5.根据权利要求1所述的聚碳酸酯凝胶电解质，其特征在于：所述热引发剂为偶氮二异丁腈。

6.根据权利要求1所述的聚碳酸酯凝胶电解质，其特征在于：所述电解液是1m lidfobin ec/dmc＝1/1vol％,1m litfsi in ec/dmc＝1/1vol％,1m litfsi in ec/dec/dmc＝1/1/1vol％,1m lidfob in ec/dec/dmc＝1/1/1vol％中的一种。

7.根据权利要求1所述的聚碳酸酯凝胶电解质，其特征在于：所述混合液中，可聚合碳酸酯单体和含巯基单体的摩尔比为1:1；电解液的质量与可聚合碳酸酯单体和含巯基单体的总质量的质量比为1:1；所述热引发剂的用量为可聚合碳酸酯单体的质量的1％。

8.根据权利要求1所述的聚碳酸酯凝胶电解质，其特征在于：所述热引发聚合是在75-85℃的环境中保温3-5h。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的聚碳酸酯凝胶电解质在锂金属电池中的应用。

10.根据权利要求9所述的聚碳酸酯凝胶电解质在电池中的应用，其特征在于：是将所述浸润过混合液后的静电纺丝pan多孔纤维膜与电池的其他组件组装好之后，再进行原位热引发聚合；所述的电池的其他组件包括负极壳、弹簧片、不锈钢片、负极、正极和正极壳，组装顺序依次为负极壳、弹簧片、不锈钢片、负极、浸润过混合液后的静电纺丝pan多孔纤维膜、正极和正极壳。

技术总结
本发明公开了一种聚碳酸酯凝胶电解质及其应用，该电解质是以静电纺丝PAN多孔纤维膜为基底，在浸润可聚合碳酸酯单体、多官能度巯基单体、热引发剂和电解液的混合液后，经热引发聚合制备而成。其在锂金属电池中有广泛应用，且具有电化学窗口高、机械性能好、电化学性能稳定、抗枝晶生长程度高、阻燃和耐高温性能好的特点。

技术研发人员：徐芹芹,张发志,谢海波,黄俊
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12