一种固态钠离子电池电解质膜及制备方法与流程

本发明涉及钠离子电池领域，具体涉及一种固态钠离子电池电解质膜及制备方法。

背景技术：

1、随着电动汽车、智能电网等领域的快速发展，对高能量密度、长寿命、高安全性的电池需求日益增长。钠离子电池作为一种潜在的替代电池，具有资源丰富、成本低廉等优势，传统的液态电解质钠离子电池存在易燃、易泄漏等问题，限制了其在高能量密度和高安全性要求的应用领域的使用。固态电解质由于其不可燃、无泄漏的特性，被认为是下一代电池技术的重要发展方向。然而，现有的固态电解质膜存在离子传导性不高、稳定性不足的问题，严重限制了固态钠离子电池的整体性能。

2、因此，开发出一种离子传导性优良的固态钠离子电池电解质膜及制备方法具有重要的实际意义。

技术实现思路

1、为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种固态钠离子电池电解质膜及制备方法，解决了现有的固态电解质膜存在离子传导性不高、稳定性不足的问题，严重限制了固态钠离子电池的整体性能的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种固态钠离子电池电解质膜，包括以下重量份组分：

4、复合聚合物15-35份、钠盐20-28份以及溶剂100-120份；

5、其中，所述复合聚合物由以下步骤制备得到：

6、步骤s1：将聚苯醚、氯苯加入至安装有搅拌器、温度计以及氮气导气管的三口烧瓶中，通入氮气保护，在温度为25-30℃，搅拌速率为300-400r/min的条件下搅拌反应15-25min，之后加入n-溴代丁二酰亚胺、偶氮二异丁腈继续搅拌反应20-30min，之后升温至130-135℃的条件下继续搅拌反应3-5h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后加入至无水乙醇中，静置析出沉淀，之后真空抽滤，将滤饼放置于真空干燥箱中，在温度为60-65℃的条件下干燥1-2h，得到溴化聚苯醚；

7、步骤s2：将溴化聚苯醚、对羟基苯甲醛、1,2-二甲基咪唑、无水碳酸钾以及无水四氢呋喃加入至安装有搅拌器、温度计以及氮气导气管的三口烧瓶中，通入氮气保护，在温度为25-30℃，搅拌速率为300-400r/min的条件下搅拌反应30-40min，之后升温至55-65℃的条件下继续搅拌反应20-25h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后加入至乙酸乙酯中，静置析出沉淀，之后真空抽滤，将滤饼用蒸馏水洗涤3-5次，之后放置于真空干燥箱中，在温度为50-55℃的条件下干燥2-3h，得到改性聚苯醚；

8、步骤s3：将尿素、二氰胺、六水合氯化钴、氧化硼以及去离子水加入至安装有搅拌器、温度计的三口烧瓶中，在温度为25-30℃，搅拌速率为300-400r/min的条件下搅拌反应20-25min，之后升温至80-85℃的条件下继续搅拌反应6-8h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后放置于真空干燥箱中，在温度为60-65℃的条件下干燥2-3h，之后研磨后放置于管式炉中，之后在温度为500-520℃的条件下煅烧4-5h，之后随炉冷却，得到掺杂氮化碳；

9、步骤s4：将掺杂氮化碳、去离子水以及无水乙醇加入至安装有温度计、搅拌器以及回流冷凝管的三口烧瓶中，在温度为25-30℃，搅拌速率为300-400r/min的条件下搅拌反应20-25min，之后加入硅烷偶联剂kh-550继续搅拌反应5-10min，之后升温至回流的条件下继续搅拌反应6-8h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后离心，将沉淀物用蒸馏水洗涤3-5次，之后放置于真空干燥箱中，在温度为45-50℃的条件下干燥3-4h，得到改性掺杂氮化碳；

10、步骤s5：将改性聚苯醚、改性掺杂氮化碳、聚乙烯醇以及二甲基亚砜加入至安装有搅拌器、温度计的三口烧瓶中，在温度为25-30℃，搅拌速率为300-400r/min的条件下搅拌反应6-8h，反应结束后将反应产物放置于真空干燥箱中，在温度为40-45℃的条件下干燥4-5h，得到复合聚合物。

11、作为本发明进一步的方案：步骤s1中的所述聚苯醚、氯苯、n-溴代丁二酰亚胺以及偶氮二异丁腈的用量比为10g：100-120ml：17.5-20g：0.9-1.5g；所述聚苯醚为ppo塑料l543z。

12、作为本发明进一步的方案：步骤s2中的所述溴化聚苯醚、对羟基苯甲醛、1,2-二甲基咪唑、无水碳酸钾以及无水四氢呋喃的用量比为10g：1.8-3.6g：2.1-3.3g：3-5g：120-150ml。

13、作为本发明进一步的方案：步骤s3中的所述尿素、二氰胺、六水合氯化钴、氧化硼以及去离子水的用量比为5g：5g：0.22-0.36g：0.25-0.35g：110-130ml。

14、作为本发明进一步的方案：步骤s4中的所述掺杂氮化碳、去离子水、无水乙醇以及硅烷偶联剂kh-550的用量比为5g：10-12ml：55-60ml：3.2-6.4g。

15、作为本发明进一步的方案：步骤s5中的所述改性聚苯醚、改性掺杂氮化碳、聚乙烯醇以及二甲基亚砜的用量比为10g：0.2-0.8g：0.5-2.5g：80-100ml；所述聚乙烯醇为聚乙烯醇1788。

16、作为本发明进一步的方案：一种固态钠离子电池电解质膜的制备方法，包括以下步骤：

17、步骤一：按照重量份称取复合聚合物15-35份、钠盐20-28份以及溶剂100-120份，备用；

18、步骤二：将复合聚合物、钠盐以及溶剂加入至混合机中，在温度为50-55℃，搅拌速率为300-400r/min的条件下搅拌混合1-1.5h，得到电解质膜浆料；

19、步骤三：将电解质膜浆料倒入至ptfe模具中，之后放置于真空干燥箱中，在温度为60-65℃的条件下干燥10-12h，之后裁切成型，得到该固态钠离子电池电解质膜。

20、作为本发明进一步的方案：所述钠盐为高氯酸钠、四氟硼酸钠以及六氟磷酸钠中的一种。

21、作为本发明进一步的方案：所述溶剂为二甲基亚砜、乙腈和n，n-二甲基甲酰胺中的一种。

22、本发明的有益效果：

23、本发明的一种固态钠离子电池电解质膜及制备方法，通过将复合聚合物、钠盐以及溶剂加入至混合机中搅拌混合，得到电解质膜浆料，将电解质膜浆料倒入至ptfe模具中干燥，之后裁切成型，得到该固态钠离子电池电解质膜；该固态钠离子电池电解质膜的主要原料为复合聚合物，复合聚合物的使用能够有效的提高了电解质膜的离子传导性，使得电解质膜应具有较低的质子传递阻力，以减少固态钠离子电池的内耗，提高能量转换效率，使得固态钠离子电池具有良好的化学稳定性和可充性，被广泛应用于移动电子设备、电动工具和电动汽车等领域。

24、制备固态钠离子电池电解质膜的过程中首先制备了一种复合聚合物，首先利用n-溴代丁二酰亚胺对聚苯醚进行溴化处理，进而在聚苯醚分子链甲基上引入溴原子，得到溴化聚苯醚，之后溴化聚苯醚、对羟基苯甲醛以及1,2-二甲基咪唑进行反应，溴化聚苯醚上的溴原子与对羟基苯甲醛上的羟基发生反应，向聚苯醚的分子链上引入醛基，且溴化聚苯醚上的溴原子与1,2-二甲基咪唑上的叔胺基发生反应，形成咪唑阳离子，向聚苯醚的分子链上引入季铵基团，得到改性聚苯醚，之后利用尿素、二氰胺为原料烧结形成氮化碳，并利用六水合氯化钴为钴源、氧化硼为硼源，向氮化碳中掺杂钴原子和硼原子，得到掺杂氮化碳，之后利用硅烷偶联剂kh-550对掺杂氮化碳进行处理，硅烷偶联剂kh-550水解后形成硅醇并脱水缩合至掺杂氮化碳的粒子表面，同时引入氨基，得到改性掺杂氮化碳，最后改性聚苯醚、改性掺杂氮化碳、聚乙烯醇进行反应，改性聚苯醚上的醛基能够与改性掺杂氮化碳上的氨基以及聚乙烯醇上的羟基反应，得到复合聚合物；该复合聚合物的分子结构主要为苯环，苯环热稳定性好、力学性能优良，引入咪唑阳离子能够提高其导电性能，当咪唑离子液体含量增加时，离子传导的区域浓度也相应地增加，也就进一步地提高了其离子电导率，之后令改性聚苯醚、改性掺杂氮化碳、聚乙烯醇形成互穿网络后，氮化碳作为一种非金属半导体材料能够提升互穿网络的电化学性能，掺杂钴原子和硼原子后能够提升氮化碳对电荷的吸引力，调节电子能级结构，对氮化碳的导电性能增强，进一步的提升互穿网络的电化学性能；因此，该复合聚合物稳定性能和电化学性能优良，以此作为原料制备固态钠离子电池电解质膜能够对固态钠离子电池的性能进行有效提升。

技术特征：

1.一种固态钠离子电池电解质膜，其特征在于，包括以下重量份组分：

2.根据权利要求1所述的一种固态钠离子电池电解质膜，其特征在于，步骤s1中的所述聚苯醚、氯苯、n-溴代丁二酰亚胺以及偶氮二异丁腈的用量比为10g：100-120ml：17.5-20g：0.9-1.5g；所述聚苯醚为ppo塑料l543z。

3.根据权利要求1所述的一种固态钠离子电池电解质膜，其特征在于，步骤s2中的所述溴化聚苯醚、对羟基苯甲醛、1,2-二甲基咪唑、无水碳酸钾以及无水四氢呋喃的用量比为10g：1.8-3.6g：2.1-3.3g：3-5g：120-150ml。

4.根据权利要求1所述的一种固态钠离子电池电解质膜，其特征在于，步骤s3中的所述尿素、二氰胺、六水合氯化钴、氧化硼以及去离子水的用量比为5g：5g：0.22-0.36g：0.25-0.35g：110-130ml。

5.根据权利要求1所述的一种固态钠离子电池电解质膜，其特征在于，步骤s4中的所述掺杂氮化碳、去离子水、无水乙醇以及硅烷偶联剂kh-550的用量比为5g：10-12ml：55-60ml：3.2-6.4g。

6.根据权利要求1所述的一种固态钠离子电池电解质膜，其特征在于，步骤s5中的所述改性聚苯醚、改性掺杂氮化碳、聚乙烯醇以及二甲基亚砜的用量比为10g：0.2-0.8g：0.5-2.5g：80-100ml；所述聚乙烯醇为聚乙烯醇1788。

7.一种固态钠离子电池电解质膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种固态钠离子电池电解质膜的制备方法，其特征在于，所述钠盐为高氯酸钠、四氟硼酸钠以及六氟磷酸钠中的一种。

9.根据权利要求7所述的一种固态钠离子电池电解质膜的制备方法，其特征在于，所述溶剂为二甲基亚砜、乙腈和n，n-二甲基甲酰胺中的一种。

技术总结
本发明涉及钠离子电池领域，具体涉及一种固态钠离子电池电解质膜及制备方法，用于解决现有的固态电解质膜存在离子传导性不高、稳定性不足的问题，严重限制了固态钠离子电池的整体性能的问题；该复合聚合物的分子结构主要为苯环，苯环热稳定性好、力学性能优良，引入咪唑阳离子能够提高其导电性能，之后令改性聚苯醚、改性掺杂氮化碳、聚乙烯醇形成互穿网络后，氮化碳作为一种非金属半导体材料能够提升互穿网络的电化学性能，掺杂钴原子和硼原子后能够进一步的提升互穿网络的电化学性能；因此，该复合聚合物稳定性能和电化学性能优良，以此作为原料制备固态钠离子电池电解质膜能够对固态钠离子电池的性能进行有效提升。

技术研发人员：邹伟民,康书文,邹嘉逸,王小君,刘园
受保护的技术使用者：江苏智纬电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23