[發明專利]基于無紡布的鋰離子電池凝膠聚合物電解質及其制備方法

有效

• 申請號: 201210572448.1
• 申請日: 2012-12-25
• 公開（公告）號: CN103022557A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 朱玉松;肖時英;楊亞瓊;吳宇平;王丹;何丹農
• 申請（專利權）人: 復旦大學;上海納米技術及應用國家工程中心有限公司
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/058
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一類鋰離子電池凝膠聚合物電解質及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池作為一種新型化學電源，具有能量密度高、環境友好、無記憶效應等優點，自其商品化以來已廣泛應用于筆記本電腦、數碼相機、手機等各種便攜式電子設備中，同時其也是混合動力電動汽車（HEV）、插電式混合動力電動汽車（PHEV）、純電動汽車（EV）及小型智能電網的理想儲能設備之一。然而，由于LiPF₆系有機電解液（對水份敏感，易燃，易引起爆炸）的廣泛應用使得大容量鋰離子電池的安全性和可靠性受到質疑。為了解決常規鋰離子電池安全性問題，聚合物鋰離子電池（Polymer?lithium?ion?batteries）逐漸成為了研究熱點。該類電池的正、負極材料與常規鋰離子電池相同，只是采用了固體聚合物來代替有機電解質和隔膜。研究最多的聚合物主要有以下幾類：聚醚類(主要是PEO)、聚丙烯腈(PAN)類、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)類及聚偏氟乙烯(PVDF)類等。聚合物鋰離子電池解決了傳統鋰離子電池易發生漏液和漏電電流大的問題，安全性顯著提高；另外，聚合物材料可塑性強，故該類電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優點，從而可以明顯提高電池的比容量。用于電解質的聚合物可以是純固態（固體聚合物電解質，solid?polymer?electrolytes,?SPEs）也可以是加入增塑劑的凝膠體（凝膠聚合物電解質,gel?polymer?electrolytes,?GPEs）。但固體聚合物電解質的電導率偏低（<?10^-4?S?cm^-1），遠未達到實際應用的水平；凝膠聚合物電解質具有固體和液體電解質的雙重性質，電導率與有機液體電解質相當，并且電化學窗口較寬，熱穩定性好，受到廣泛關注。但是，凝膠聚合電解質機械強度差，生產成本高，大大限制了其在大容量高功率鋰離子電池中的應用。

無紡布（nonwoven?fabrics）又稱為不織布，是將紡織短纖維或者長絲進行定向或隨機撐列，然后采用干法拉伸、熱熔融噴絲或濕法拉伸等方法制成地纖網結構，是一種不需要紡紗織布而形成的織物。無紡布突破了傳統的紡織原理，具有工藝流程短、生產速率快，產量高、成本低等諸多優點。制作無紡布所用的原料主要有合成高分子材料及天然纖維，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯醇（PVA）和纖維素等，它可以由一種原材料制得也可以多種原材料按不同比例混合進行制造。無紡布的孔徑分布多在1μm?到100?μm?之間，均一性很差，而鋰離子電池隔膜要求孔徑范圍在0.03?μm-0.1?μm，30-60%的孔隙率以及極高的孔隙均一性。由此可見，無網布不可能直接用作于鋰離子電池隔膜，然而，無紡布生產成本低，生產工藝簡單，價格便宜對于大容量鋰離子電池極具吸引力。

目前，無紡布被大量用于主流堿性電池（如鎳氫、鎳鎘電池）隔膜，但對其改性用作為鋰離子電池聚合物電解質的研究較少，未見相關專利報道。

發明內容

本發明的目的在于克服現有凝膠聚合物電解質機械強度差，生產成本高，極難在大容量、高功率、高能量密度鋰離子電池中得到廣泛應用的缺點，提供一類高電導率，高離子遷移數，機械性能好，安全性能高，化學性能穩定，生產成本低，與常見電極材料匹配性好的無紡布改性鋰離子凝膠聚合物電解質。

本發明的另一目的在于提供一種上述凝膠聚合物電解質的制備方法及其在鋰離子電池中的應用。?

?本發明提供的一類鋰離子電池凝膠聚合物電解質，由無紡布與無紡布外的高分子材料復合后得到的復合物和液體電解質組成。其中：

?所述無紡布為PP、PE、PA、PVDF、PTFE、PET、PA6、PLA、PBI、PVC、PVA、PC、PPS、PU、滌綸、丙綸、氨綸、芳綸、碳纖維、維綸、黏膠、錦綸、天然纖維、無機纖維等高分子材料的一種或幾種組成；所述高分子材料為聚醚類、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯及聚偏氟乙烯(PVDF)?的均聚物、共聚物或共混物。?

?本發明提供的上述凝膠聚合聚合物電解質的制備方法，具體步驟為：

（1）將所述高分子材料于40^oC-80?^oC?下溫度下溶解于溶劑中，得到均一澄清的高分子材料溶液，冷至室溫；?

（2）用浸泡或澆鑄方法，使無紡布孔徑不一的大孔中被所述其它高分子材料溶液浸漬，將溶劑揮發，得到復合物；