[發明專利]鋰離子電池凝膠電解質及其制備方法

在審

• 申請號: 201310413202.4
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN103441301A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 修倩;游從輝;張新枝;賴旭倫;江輝
• 申請（專利權）人: 東莞新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 王基才;王冬華

技術領域

本發明屬于鋰離子電池領域，更具體地說，本發明涉及一種鋰離子電池凝膠電解質及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池因具有電壓高、體積小、質量輕、能量密度高、無記憶效應、環保性良好和循環壽命長等優點，已逐步取代鉛酸、Ni-Cd等傳統電池，獲得了市場的主導地位。

鋰離子電池因電解質的不同而分為液態電解質電池和凝膠電解質電池。相比之下，液態電解質電池的電化學性能較好，安全性較差；凝膠電解質電池則具有安全性能高、循環性能好、儲存壽命長和使用溫度范圍寬等優點。凝膠電解質電池通常采用PVDF、PAN、PMMA、PEO、PVC等聚合物作為電解質基體，但是，這些聚合物都存在以下缺陷：離子電導率高時機械性能不好，機械強度高時離子電導率低。

為了解決上述矛盾，研究人員經過不斷地努力研究，發現無機粒子的加入不僅能夠增強聚合物電解質的機械性能，還能夠提高電解質的電導率及其與鋰電極之間的界面穩定性，尤其是當填料的尺寸小至納米級時，效果更加明顯。因此，有些制造者采用共混方式將納米粒子分散到傳統聚合物電解質中來提高電池性能。但在實踐中，納米粒子的表面能較高，極易團聚而難于分散，同時，納米粒子與大多數聚合物電解質的相容性都很差，其加入還會使傳統聚合物電解質的粘度增大而不利于聚合物電解質對電極和隔離膜的浸潤，因此對電池性能的提高效果大打折扣。如果能將無機納米粒子與有機高分子復合，將不僅可以改善二者的相容性和結合力，還可以提高無機納米粒子分散的穩定性，同時達到增強聚合物電解質機械性能、提高電導率及電解質與鋰電極之間的界面穩定性的目的。

有鑒于此，確有必要提供一種具有優良電化學性能及安全性能的鋰離子電池凝膠電解質，并提供其制備方法。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種具有優良電化學性能及安全性能的鋰離子電池凝膠電解質，同時提供凝膠電解質的制造方法。

為了實現上述發明目的，發明人經過潛心研究，發現納米粒子難于分散主要是由于其表面存在大量的不飽和基團(通常為羥基)，因此在使用中容易形成帶有若干弱連接界面的尺寸較大的團聚體(傾向于以網狀存在)，從而影響了納米粒子的實際應用效果；只要能以其他方式破壞納米粒子的表面能，即可將其均勻分散在電解質中。

據此，本發明提供了一種鋰離子電池凝膠電解質，其包括溶劑、添加劑、鋰鹽以及有機高分子-納米粒子復合劑，復合劑中的有機高分子與納米粒子是通過形成新的共價鍵復合的。

作為本發明鋰離子電池凝膠電解質的一種改進，所述復合劑中納米粒子的表面具有不飽和鍵，復合劑中有機高分子的結構式為式1)：

在式1)中：Ra為COOH；Rb為式2)；Rc、Rd為氫或甲基；式2)中的Re為氫原子、氟原子或者碳原子數為1～10烷基或氟代烷基，n為1～10中的任一整數。

由于有機高分子中的COOH基團可以與納米粒子表面的不飽和鍵反應形成共價鍵而降低納米粒子的表面能，因此能夠解決以往向電解質中直接加入納米粒子時由于納米粒子表面能較大而產生的團聚、難以分散等現象。例如，Ra與納米SiO₂表面發生的反應為：

式1)中的碳碳雙鍵用于發生聚合反應而使液態電解質形成凝膠電解質；式2)中的Re可以不含有F元素，但優選為含有F元素，這是因為C-F鍵的電負性強，有利于鋰離子的傳導，因此能夠增加電解質的電導率，有利于提升鋰離子電池的電化學性能。

作為本發明鋰離子電池凝膠電解質的一種改進，所述復合劑中有機高分子的單體分子量在200-5000之間。

作為本發明鋰離子電池凝膠電解質的一種改進，所述復合劑中有機高分子的質量比為5-60%。

作為本發明鋰離子電池凝膠電解質的一種改進，所述復合劑中納米粒子包括納米SiO₂、納米Al₂O₃、納米TiO₂和納米ZnS中的至少一種。

作為本發明鋰離子電池凝膠電解質的一種改進，所述復合劑中納米粒子的粒徑為10-1000nm。

作為本發明鋰離子電池凝膠電解質的一種改進，所述復合劑占該凝膠電解質的質量比為0.1-20%，優選為0.5-10%。

為了實現上述發明目的，本發明還提供了一種鋰離子電池凝膠電解質制備方法，其包括以下步驟：