[發(fā)明專利]鋰-硫二次電池用全固態(tài)聚合物電解質(zhì)及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110445406.7
• 申請日: 2011-12-27
• 公開（公告）號: CN102496736A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘中來;譚斌;黃興蘭;楊克潤;馬先果;李仁貴;鄧正華
• 申請（專利權(quán)）人: 瑞聲新能源發(fā)展（常州）有限公司
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M2/16;H01M10/0525
• 代理公司: 成都虹橋?qū)＠聞?wù)所 51124
• 代理人: 武森濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰-硫二次電池用全固態(tài)聚合物電解質(zhì)及其制備方法和應(yīng)用，屬于鋰-硫二次電池制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于鋰離子二次電池具有體積小、重量輕和比能量高等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品中占據(jù)主流地位，但是電動汽車的發(fā)展迫切需要開發(fā)出更高比能量的二次電池，而鋰-硫電池具有比能量高(理論比能量高達(dá)2600Wh/Kg)、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)勢，是電動汽車的理想動力之一。然而，單質(zhì)硫的室溫電導(dǎo)率只有5×10^-30S/cm，近乎于電子絕緣；硫電極循環(huán)性能差，中間產(chǎn)物易在有機(jī)電解液中溶解，這些缺陷抑制了鋰-硫電池的應(yīng)用。

針對鋰-硫電池的這些缺陷，研究人員主要從兩個方面來提高鋰-硫電池的性能：一是改變現(xiàn)有鋰離子二次電池電解液配方，添加各種不同的功能添加劑，降低多硫產(chǎn)物在電解液中的溶解度，改善循環(huán)性能。研究發(fā)現(xiàn)在用二氧戊環(huán)(DOL)、二甲氧基乙烷(DME)、四乙二醇二甲醚(TEGDME)等溶劑配成的電解液中多硫產(chǎn)物反應(yīng)活性和可逆性提高，電池性能改善。中國專利ZL?03154619.6也中描述到當(dāng)鋰-硫電池包含具有酰亞胺陰離子的鹽作為電解質(zhì)時，硫的利用率得到提高，并且循環(huán)壽命和放電特性如放電容量和放電平臺也得到改善。二是硫正極的改性，主要是用各種碳材料來吸附硫，達(dá)到提高硫正極電導(dǎo)率，降低多硫產(chǎn)物的溶解的目的。中國專利ZL?201010255445.6用含碳納米管的硫基正極材料與金屬鋰負(fù)極組成的鋰-硫電池室溫下充放電可逆比容量達(dá)到697mAh/g，并且有良好的循環(huán)性能。

但是目前，由于液態(tài)電解制或凝膠聚合物電解質(zhì)與金屬鋰匹配時，金屬鋰負(fù)極容易產(chǎn)生枝晶，沖破隔膜而短路的情況，且采用普通電解液的鋰-硫電池，正極活性物質(zhì)的利用率和循環(huán)穩(wěn)定性差，導(dǎo)致鋰-硫電池的應(yīng)用受限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一個目的在于，針對上述提出一種新的電解質(zhì)，全固態(tài)聚合物電解質(zhì)。該電解質(zhì)在鋰-硫二次電池中既作為電解質(zhì)又作為隔膜的雙重作用。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明全固態(tài)聚合物電解質(zhì)包括聚環(huán)氧乙烷(PEO)、Li₄Ti₅O₁₂粒子和鋰鹽；其中鋰鹽與PEO中EO基的摩爾比為1∶2～32；Li₄Ti₅O₁₂粒子與PEO的質(zhì)量比為0.01～0.25∶1；所述鋰鹽為LiClO₄、LiPF₆、LiBF₄、LiCF₃SO₃或LiTFSI。

本發(fā)明的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)中加入的Li₄Ti₅O₁₂粒子為離子導(dǎo)體，Li⁺擴(kuò)散系數(shù)比碳負(fù)極材料還高，在提高全固態(tài)聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率的同時還增加了載流子濃度，30℃時全固態(tài)聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率大于10^-4S/cm，遠(yuǎn)高于PEO/鋰鹽30℃電導(dǎo)率10^-6～10^-7S/cm。

作為本發(fā)明優(yōu)選的方案，Li₄Ti₅O₁₂粒子的粒徑為0.05～1um。

作為本發(fā)明優(yōu)選的方案，鋰鹽與PEO中EO基的摩爾比為1∶6～20；Li₄Ti₅O₁₂粒子與PEO的質(zhì)量比為0.05～0.20∶1。

更有選的是，鋰鹽與PEO中EO基的摩爾比為1∶8～16；Li₄Ti₅O₁₂粒子與PEO的質(zhì)量比為0.1～0.15∶1。

本發(fā)明全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的制備方法包括以下步驟：

(1)將鋰鹽與有機(jī)溶劑混合攪拌均勻，然后將聚環(huán)氧乙烷(PEO)粉末加入上述混合液中繼續(xù)攪拌至均勻，其中鋰鹽與PEO中EO基的摩爾比為1∶2～32，優(yōu)選1∶6～20，更優(yōu)選1∶8～16；PEO與溶劑的質(zhì)量比1∶10～100，優(yōu)選1∶20～90，更優(yōu)選1∶20～50。