[發明專利]鋰離子電池離子液體基凝膠聚合物電解質及制備與應用

無效

• 申請號: 201110153280.6
• 申請日: 2011-06-09
• 公開（公告）號: CN102244292A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 廖友好;李小平;饒睦敏;李偉善
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉;楊曉松

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，特別涉及一種鋰離子電池離子液體基凝膠聚合物電解質及其制備方法與應用。

背景技術

節能和環保的要求促進了新能源的發展。作為新能源發展方向的儲能裝置，可循環使用的二次電池扮演了主要角色。相對于鉛酸電池及鎳氫電池，二次鋰離子電池具有高能量密度、高工作電壓、循環性能好等無可比擬的優點，被廣泛應用于可攜帶的能源裝置中。目前商業化的鋰離子電池普遍采用液態易燃、易揮發的有機溶劑作為電解質，但使用液態電解質背后引發的安全性問題越來越引起鋰電工作者的重視。凝膠聚合物電解質(GPE)結合了液態電解質的高電導率及固態電解質的高安全性，所以問世以來就充當“安全使者”作為液態電解質的替代者。GPE由鋰鹽、聚合物基體及增塑劑(有機溶劑，目前廣泛采用液態電解質的溶劑分子)三部分組成。聚合物基體目前制備方法包括聚合物自支撐成膜和多孔骨架膜支撐聚合物成膜，但是自支撐膜的機械強度較差，很難忍受工業生產中如卷繞工藝等的苛刻條件。所以，商業化的聚合物鋰離子電池一般使用機械強度較高的支撐膜支撐聚合物形成聚合物隔膜，但是隔膜的熱收縮導致正負極直接接觸而引發的安全事故時有發生。雖然使用聚合物基體將有機的溶劑分子吸附形成凝膠體可以最大程度限制電解液的移動或滲漏，但使用有機的溶劑分子或增塑劑仍是高閃點、易燃物質，還存在安全隱患，必須從源頭上解決安全性問題。

離子液體(又稱室溫熔融鹽)是完全由離子組成的在溫室或低溫下呈液態的鹽，一般由有機陽離子和無機陰離子組成，作為溶劑使用時具有電導率高、蒸氣壓低、不燃不爆炸、電化學穩定性好等優點，用作可替代易燃、易揮發的有機溶劑的新型綠色溶劑引起了研究者的廣泛興趣。目前應用于鋰離子電池的室溫離子液體主要有咪唑類、季銨鹽類、吡咯類、哌啶類等。咪唑類離子液體雖然液體粘度較低，電導率較高，但電化學窗口較窄、石墨負極的充放電效率較低，即使使用金屬鋰作為負極時穩定性仍較差。與咪唑陽離子離子液體電解液相比，季銨鹽類的電化學窗口雖然大于5V，金屬鋰可以在其中穩定存在。但在首次充電過程中季銨陽離子會先于鋰離子嵌入石墨層間，阻礙了鋰離子嵌層反應的發生，使得其不能進行可逆嵌、脫鋰反應。吡咯和哌啶陽離子類離子液體屬于環狀季銨型離子液體，其在結構和物化性能方面與鏈狀季銨類離子液體相似，它們用作鋰二次電池電解液時具有與鏈狀季銨類離子液體電解液類似的性能。

專利號為200910066474.5的中國發明專利公開了“原位聚合制備離子液體型凝膠聚合物電解質及電池的方法”，該專利采用丙烯腈和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯為單體，碳酸乙烯酯為有機增塑劑，偶氮二異丁腈為引發劑，高氯酸鋰為鋰鹽，并加入離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽作為電解質的組分，采用自由基引發，原位聚合的方式制備離子液體基凝膠聚合物電解質，離子電導率最高僅僅為1.72×10^-4S·cm^-1。申請號為200910304356.3的中國發明專利申請公開了“鋰離子電池凝膠型離子液體/聚合物電解質及其制備方法”，該發明的電解質由高分子聚合物、咪唑類離子液體和鋰鹽通過延流法制備得到，解決了咪唑類離子液體與鋰離子電池負極材料相容性較差的問題，但離子電導率最高僅僅為0.53×10^-3S·cm^-1，而且不使用支撐體支撐，機械強度較差，不利于工業化生產。

發明內容

本發明的首要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種鋰離子電池離子液體基凝膠聚合物電解質的制備方法。

本發明的另一目的在于提供通過上述制備方法得到的離子電導率高、機械強度好、熱穩定性好、化學穩定性好、且抗熱收縮的鋰離子電池離子液體基凝膠聚合物電解質。

本發明的再一目的在于提供所述的鋰離子電池離子液體基凝膠聚合物電解質的應用。

本發明的目的通過下述技術方案實現：一種鋰離子電池離子液體基凝膠聚合物電解質，由聚合物隔膜、鋰鹽和離子液體組成，其制備方法包括下述步驟：

(1)在惰性氣體氣氛下，將聚合物和有機溶劑按質量比(0.5～10)∶(90～99.5)混合，接著加入相當于有機溶劑質量1～50％的去離子水作為非溶劑，同時添加相當于聚合物質量的50～200％的無機陶瓷材料，于30～50℃攪拌至聚合物完全溶解，得到凝膠液體；

(2)將未活化的支撐體浸泡于步驟(1)所得到的凝膠液體中，取出后自然晾干，即制備得到抗熱收縮的摻雜無機陶瓷材料的鋰離子電池聚合物隔膜；

(3)將鋰鹽溶解于離子液體中，加入成膜添加劑，得到能將聚合物隔膜凝膠化的離子液體基電解液；