本發(fā)明屬于電池，更具體地，涉及一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車對(duì)高能量密度電池需求的不斷增長，傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電池系統(tǒng)對(duì)安全性、穩(wěn)定性和能量密度的高要求。特別是對(duì)于鋰金屬電池，其在高能量密度應(yīng)用中具有巨大的潛力，但同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如鋰枝晶的生長、電解質(zhì)與電極材料的兼容性問題，以及電解質(zhì)本身的離子電導(dǎo)率和機(jī)械性能不足等。

2、在現(xiàn)有技術(shù)中，凝膠電解質(zhì)被廣泛應(yīng)用于電池體系，以解決純固態(tài)電池電導(dǎo)率不足的問題。然而，凝膠電解質(zhì)的機(jī)械性能通常較弱，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。目前，提升凝膠電解質(zhì)機(jī)械性能的主要方法包括引入交聯(lián)劑生成交聯(lián)聚合物，以及引入氫鍵官能團(tuán)來形成氫鍵。然而，這些方法都存在一定的局限性。一方面，交聯(lián)度的增加雖然可以提高聚合物的機(jī)械性能，但會(huì)導(dǎo)致聚合物結(jié)晶度上升，進(jìn)而使凝膠電解質(zhì)的電導(dǎo)率顯著下降。另一方面，氫鍵官能團(tuán)的引入雖然可以增強(qiáng)機(jī)械性能，但會(huì)導(dǎo)致鋰離子與氫鍵受體的優(yōu)先結(jié)合。這不僅會(huì)降低鋰離子的傳輸效率，還會(huì)削弱氫鍵對(duì)機(jī)械性能的增強(qiáng)效果，同時(shí)也會(huì)降低材料的自愈合能力。因此，現(xiàn)有的提升凝膠電解質(zhì)機(jī)械性能的方法在提高機(jī)械性能的同時(shí)，往往以犧牲電導(dǎo)率為代價(jià)，且難以兼顧鋰離子傳輸效率和機(jī)械性能的平衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)及其制備方法，其目的在于開發(fā)一種既能提供高機(jī)械強(qiáng)度又能保持高離子電導(dǎo)率的凝膠電解質(zhì)，由此解決電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和機(jī)械性能不足的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)，包括聚合物骨架和用于傳輸鋰離子的溶劑分子；所述聚合物骨架由提供氫鍵供體的甲基丙烯酰胺和提供氫鍵受體的甲基丙烯酸甲酯兩種單體在引發(fā)劑作用下通過自由基聚合的方式按一定比例共聚生成；所述溶劑分子為氟代環(huán)丙腈，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為該溶劑分子對(duì)鋰離子具有強(qiáng)吸引能力，有利于鋰離子的脫溶劑化。

3、優(yōu)選地，所述甲基丙烯酰胺單體和甲基丙烯酸甲酯單體的添加量的摩爾比例為1：(5～20)。

4、優(yōu)選地，所述甲基丙烯酰胺單體和甲基丙烯酸甲酯單體作為聚合物單體，聚合物單體的添加量占自愈合電解質(zhì)的重量百分比為10％～50％。

5、優(yōu)選地，所述引發(fā)劑為偶氮二異丁腈。

6、優(yōu)選地，所述引發(fā)劑添加量為(0.1～1)wt％，引發(fā)溫度為50～80℃，聚合物時(shí)間為0.5～10h。

7、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)的制備方法，包括以下步驟：

8、s1制備前驅(qū)體溶液：將甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酰胺、鋰鹽、溶劑分子、引發(fā)劑混合攪拌至溶液澄清；

9、s2將s1中前驅(qū)體溶液滴于電池的隔膜上，進(jìn)行干燥處理，得到成型后的自愈合電解質(zhì)。

10、優(yōu)選地，所述鋰鹽采用雙氟磺酰亞胺鋰、雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰、二氟草酸硼酸鋰、四氟硼酸鋰、六氟磷酸鋰中的一種或幾種，鋰鹽相對(duì)于自愈合電解質(zhì)的添加量為1～5mol/l。

11、優(yōu)選地，所述干燥處理的具體過程為：將組裝好的電池放置于50～80℃的烘箱中加熱0.5～10h。

12、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種鋰二次電池，包括上述的自愈合電解質(zhì)或者上述方法制備的自愈合電解質(zhì)。

13、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)及其制備方法主要具有以下有益效果：

14、1.本發(fā)明提出的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)，不僅使得聚合物電解質(zhì)具備了自愈的合能力，還解決了現(xiàn)有聚合物固態(tài)電解質(zhì)在機(jī)械性能和離子電導(dǎo)率之間的權(quán)衡問題，實(shí)現(xiàn)了聚合物固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率的解耦，為高性能鋰金屬電池的開發(fā)提供了一種全新的電解質(zhì)解決方案。

15、2.本發(fā)明提出了一種新型的聚合物固態(tài)電解質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，通過選擇具有羰基官能團(tuán)的甲基丙烯酸甲酯和具有氨基官能團(tuán)的甲基丙烯酰胺作為聚合物單體，構(gòu)建了一種新型的具有豐富氫鍵的交聯(lián)聚合骨架，使其具備了自愈合的能力。

16、3.本發(fā)明選用了氟代環(huán)丙腈作為溶劑，這種溶劑分子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，能夠競(jìng)爭(zhēng)聚合物鏈上的鋰離子，防止鋰離子占據(jù)氫鍵位點(diǎn)。這一特性保證了聚合物鏈段間氫鍵的完整性，避免了因鋰離子與氫鍵受體結(jié)合而導(dǎo)致的機(jī)械性能和自愈合性能的下降。此外，氟代環(huán)丙腈分子中的氟原子能夠顯著降低鋰離子的脫溶劑化能壘，從而促進(jìn)鋰離子的快速傳輸。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了凝膠電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率的解耦，為高性能電池電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

技術(shù)特征：

1.一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)，其特征在于：包括聚合物骨架和用于傳輸鋰離子的溶劑分子；所述聚合物骨架由提供氫鍵供體的甲基丙烯酰胺和提供氫鍵受體的甲基丙烯酸甲酯兩種單體在引發(fā)劑作用下通過自由基聚合的方式按一定比例共聚生成；所述溶劑分子為氟代環(huán)丙腈，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為

2.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)，其特征在于：所述甲基丙烯酰胺單體和甲基丙烯酸甲酯單體的添加量的摩爾比例為1：(5～20)。

3.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)，其特征在于：所述甲基丙烯酰胺單體和甲基丙烯酸甲酯單體作為聚合物單體，聚合物單體的添加量占自愈合電解質(zhì)的重量百分比為10％～50％。

4.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)，其特征在于：所述引發(fā)劑為偶氮二異丁腈。

5.如權(quán)利要求4所述的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)，其特征在于：所述引發(fā)劑添加量為(0.1～1)wt％，引發(fā)溫度為50～80℃，聚合物時(shí)間為0.5～10h。

6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

7.如權(quán)利要求6所述的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)的制備方法，其特征在于：所述鋰鹽采用雙氟磺酰亞胺鋰、雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰、二氟草酸硼酸鋰、四氟硼酸鋰、六氟磷酸鋰中的一種或幾種，鋰鹽相對(duì)于自愈合電解質(zhì)的添加量為1～5mol/l。

8.如權(quán)利要求6所述的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)的制備方法，其特征在于：所述干燥處理的具體過程為：將組裝好的電池放置于50～80℃的烘箱中加熱0.5～10h。

9.一種鋰二次電池，其特征在于：所述鋰二次電池包括如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)，或如權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述方法制備的一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電池技術(shù)領(lǐng)域，其公開了一種機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)及其制備方法。本發(fā)明所提供的機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率解耦的自愈合電解質(zhì)包括聚合物骨架和用于傳輸鋰離子的溶劑分子；聚合物骨架由提供氫鍵供體的甲基丙烯酰胺和提供氫鍵受體的甲基丙烯酸甲酯兩種單體在引發(fā)劑作用下通過自由基聚合的方式按一定比例共聚生成；溶劑分子為能夠競(jìng)爭(zhēng)聚合物鏈上鋰離子的氟代環(huán)丙腈。在聚合前，聚合物單體、引發(fā)劑和溶劑分子按一定比例混合并加入鋰鹽，采用原位聚合的方式將溶劑分子鎖在聚合物骨架中。本發(fā)明提供的凝膠電解質(zhì)電導(dǎo)率高，機(jī)械強(qiáng)度高，且具有一定的自愈合的能力，可用于鋰離子電池和鋰金屬電池。

技術(shù)研發(fā)人員：許恒輝,王豪南,黃云輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/10