一种功能化掺杂碳点在锂电池固态电解质中的应用

本发明属于固态锂电池，具体涉及一种功能化掺杂碳点的制备方法及其作为填料改性锂电池固态电解质。

背景技术：

1、使用固态电解质替代传统商业液态电解质，固态锂电池被认为是下一代电池最具竞争力的新能源电池体系；其中聚合物固态电解质因其制备方法更加简便，适合规模化生产受到广泛关注。研究表明，向聚合物中添加氧化物或陶瓷填料形成复合电解质，能降低聚合物的结晶度以及玻璃转化温度，从而有效提高聚合物电解质的离子电导率。然而，它仍然受到离子扩散缓慢和低迁移数的限制，以及在使用锂金属作为负极时存在不均匀锂沉积导致的循环寿命不足。

2、碳点是一类新型零维碳材料，具有量子尺寸、表面官能团丰富、分散均匀、结构和成分可调、生物相容性好等特点。研究表明用碳点修饰的电极具有良好的电化学性能，其在储能领域展现出巨大研究潜力。虽然可以通过多种碳源和方法合成碳点，但大多数方法合成的碳点产率都相对较低，因此扩大合成规模仍然是一个挑战。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提出了一种简便且易于规模化生产的方法合成功能化掺杂碳点，并将其作为填料改性锂电池固态电解质体系，实现离子电导率提升的同时改善锂沉积的作用。

2、本发明所采取的技术方案如下：

3、一种功能化掺杂碳点在锂电池固态电解质中的应用，包括功能化掺杂碳点的制备，以及作为填料制备复合固态电解质的步骤；其中，所述功能化掺杂碳点为硼、氮、磷、硫元素中一种或两种以上共掺杂的碳点，所述功能化掺杂碳点在固态电解质中的质量分数为0.5-5.0wt％。

4、在一些实施方式中，所述功能化掺杂碳点以柠檬酸作为骨架，待掺杂原料作为助剂与柠檬酸热解反应制备，热解温度为180-220摄氏度，热解时间为24-48小时。

5、在一些实施方式中，待掺杂元素通过将对应掺杂材料与柠檬酸在无水乙醇溶剂中湿法研磨至溶剂挥发近干或者使用球磨机球磨，实现均匀混合。

6、在一些实施方式中，待掺杂材料为硼酸，磷酸，尿素，硫脲，l-半胱氨酸中的一种或者几种混合物。

7、在一些实施方式中，待掺杂材料与柠檬酸的混合比例为摩尔比1∶1-1∶3。

8、在一些实施方式中，基于功能化掺杂碳点改性的锂电池固态电解质的制备方法包含以下步骤：

9、将制备的功能化掺杂碳点在有机溶剂中超声分散至少2小时制备成均一稳定的混合溶液。

10、将锂盐与聚合物基体加入上述混合溶液，加热搅拌至少24小时形成均一无气泡的溶液，注入模具中经室温自然挥发定型，80摄氏度真空条件下干燥至少12小时得到功能化掺杂碳点改性的复合固态电解质。

11、在一些实施方式中，所述聚合物基体选聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈中的至少一种。

12、在一些实施方式中，所述锂盐电解质选自高氯酸锂、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂中、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂中的至少一种。

13、本发明具有以下优点和积极效果：

14、本发明通过这种方法制备的功能化掺杂碳点热解温度高于柠檬酸的分解温度而低于掺杂材料的分解温度，柠檬酸碳化后构筑骨架结构的同时在其表面引入含掺杂原子(氮、硫、硼、磷)的有机官能团，从而有效调节碳点的表面电子态和局部化学特性。所用原料易得，成本低廉，生产效率高，制备技术简便易行，便于产业化推广及应用。

15、本发明通过功能化掺杂碳点作为填料制备的复合固态电解质克服了其他填料在复合电解质中所存在的问题，所制备均匀的小尺寸碳点避免堵塞离子通道同时在电解质中具有良好的分散性。在电化学反应过程中，丰富的掺杂官能团提供了许多路易斯酸位点，可有效促进锂盐的解离和阴离子的吸附，从而获得较高离子电导率的固态电解质；同时为锂金属提供初始成核位点，诱导锂均匀沉积。另外，该方法与现有二次电池制备设备相兼容，对于不同电池体系的不同电解质体系具有一定的普适性。

技术特征：

1.一种功能化掺杂碳点在锂电池固态电解质中的应用，其特征在于，包括功能化掺杂碳点的制备，和基于功能化掺杂碳点改性的复合固态电解质的制备；其中，所述功能化掺杂碳点为硼、氮、磷、硫元素中一种或两种以上共掺杂的碳点，所述功能化碳点在固态电解质中的质量分数为0.5-5.0wt％。

2.根据权利要求1所述的功能化掺杂碳点在锂电池固态电解质中的应用，其特征在于，功能化掺杂碳点的制备方法是将一种或者两种以上原料按照一定比例混合均匀，通过热解反应直接制备所述功能化掺杂碳点。

3.根据权力要求1和2所述的功能化掺杂碳点的制备方法，其特征在于，所述功能化掺杂碳点的制备原料为柠檬酸，硼酸，磷酸，尿素，硫脲，l-半胱氨酸中的一种或者几种混合物。

4.根据权力要求2所述的功能化掺杂碳点的制备方法，其特征在于，所述功能化掺杂碳点，以柠檬酸碳化后构筑骨架结构，同时在其表面引入含掺杂原子(氮、硫、硼、磷)的有机官能团。

5.根据权力要求2所述的功能化掺杂碳点的制备方法，其特征在于，热解反应温度为180-220摄氏度，热解时间24-48小时。

6.根据权力要求1-5任一项所述的功能化掺杂碳点在锂电池固态电解质中的应用，其特征在于，基于功能化掺杂碳点改性的复合固态电解质的制备方法包含以下步骤：

7.根据权力要求1和6所述的功能化掺杂碳点改性的锂电池固态电解质，其特征在于，基于功能化掺杂碳点改性的固态电解质的聚合物基体选自聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈中的至少一种。

8.根据权力要求1和6所述的功能化掺杂碳点改性的锂电池固态电解质，其特征在于，基于功能化掺杂碳点改性的固态电解质的锂盐电解质选自高氯酸锂、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂中、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂中的至少一种。

技术总结
本发明提出了一种简便且易于规模化生产的方法合成功能化掺杂碳点，并将其作为填料改性锂电池固态电解质体系。包括功能化掺杂碳点的制备，和基于功能化掺杂碳点改性的复合固态电解质的制备；其中，所述功能化掺杂碳点以柠檬酸碳化后构筑骨架结构，同时在其表面引入含掺杂原子(氮、硫、硼、磷)的有机官能团，所述功能化掺杂碳点在复合固态电解质中的质量分数为0.5‑5.0wt％。在电化学反应过程中，丰富的掺杂官能团提供了许多路易斯酸位点，有效地促进了锂盐的解离和阴离子的吸附，实现了离子电导率提升；同时诱导锂均匀沉积，抑制了枝晶生长引发的电池短路行为。

技术研发人员：封伟,赵一民,李瑀
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5