[發(fā)明專利]單離子導體聚合物全固態(tài)電解質(zhì)及包含其的鋰二次電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910271090.0
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN110611120A
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李秀艷
• 申請（專利權(quán)）人: 李秀艷
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/058;H01M10/0525
• 代理公司: 21001 沈陽晨創(chuàng)科技專利代理有限責任公司
• 代理人: 張晨

本發(fā)明涉及一類單離子導體全固態(tài)聚合物電解質(zhì)及其構(gòu)成的全固態(tài)二次鋰電池。單離子導體全固態(tài)聚合物電解質(zhì)包括：聚陰離子鋰鹽，基體有機聚合物及無機填料；其室溫離子電導率為2×10^?4S/cm～1.2×10^?3S/cm，電化學氧化窗口大于4V。本發(fā)明所述單離子導體全固態(tài)聚合物電解質(zhì)制備簡單，機械性能良好，具有較高的離子電導率，電化學氧化窗口較寬；同時可有效抑制鋰金屬負極循環(huán)過程中枝晶的生長，提高了界面穩(wěn)定性和長循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固態(tài)電解質(zhì)，特別提供一種單離子導體聚合物全固態(tài)電解質(zhì)及其構(gòu)成的全固態(tài)鋰二次電池。

背景技術(shù)

動力電池是電動汽車的核心，開發(fā)高效動力電池系統(tǒng)對我國擺脫對外石油依賴，改善城市空氣環(huán)境及實現(xiàn)能源資源可再生化利用具有極其重要的作用，具有重大的經(jīng)濟和社會效益。鋰系電池因其重量輕、比能量比功率高、壽命長等特點成為最主要的動力電池路徑方向，目前的動力鋰離子電池在結(jié)構(gòu)上主要有五部分：正極、負極、電解液、隔膜、外殼與電極引線。電解質(zhì)作為電池的重要組成部分之一，它的性能的好壞直接影響鋰離子電池的性能的優(yōu)化和提高。作為一個性能優(yōu)良的電解質(zhì)至少應(yīng)具備三個條件：(1) 離子電導率高：(2)電化學穩(wěn)定性好，即與電極材料有好的相容性和穩(wěn)定性：(3)耐熱性能優(yōu)異。研究表明，電解質(zhì)的組成、化學配比和結(jié)構(gòu)決定著電解質(zhì)的性能，從而最終影響鋰離子電池的性能。所以，研究電解液對提高電池的綜合性能至關(guān)重要。

現(xiàn)有電化學動力鋰離子電池電解質(zhì)包含液態(tài)有機溶劑、鋰鹽和聚烯烴隔膜。使用中電解液易泄露揮發(fā)，造成電池“干區(qū)現(xiàn)象，進而限制和影響電池的性能，縮短其使用壽命。同時聚烯烴隔膜尺寸熱穩(wěn)定性差，當電池因為受熱或極端情況下，因隔膜收縮或融化而導致短路，從而發(fā)生爆炸。以固體電解質(zhì)替代有機液體電解液的全固態(tài)鋰電池，在解決傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度偏低和使用壽命偏短這兩個關(guān)鍵問題的同時，有望徹底解決電池的安全性問題，符合未來大容量新型化學儲能技術(shù)發(fā)展的方向。與液體電解質(zhì)相比，在電池中使用全固體聚合物做電解質(zhì)，具有以下優(yōu)點：全固態(tài)聚合物電解質(zhì)可抑制枝晶的生長；因可避免液體泄露，提高安全性；電池的形狀適應(yīng)性增強，可適應(yīng)未來電池的個性化發(fā)展，并可通過涂布工藝、層壓工藝等進行電池的整體制造。

對于全固態(tài)鋰二次電池的研宄，按電解質(zhì)區(qū)分主要包括兩大類：一類是以有機聚合物電解質(zhì)組成的鋰二次電池，也稱為聚合物全固態(tài)鋰電池；另一類是以無機固體電解質(zhì)組成的鋰二次電池，又稱為無機全固態(tài)鋰電池。在聚合物電解質(zhì)中，形成基體的有機聚合物包括聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氯乙烯。公開的聚合物電解質(zhì)實例如下：公開號為US 4792504(A)的發(fā)明專利描述了一種聚合物電解質(zhì)，它含有聚二甲基丙烯酸乙二醇/聚環(huán)氧乙烷，但其機械性能不高。申請?zhí)枮?CN200710144760的發(fā)明專利描述了一種添加超細粉填料于聚環(huán)氧乙烷的電解質(zhì)，機械性能良好，但其離子電導率不是很高。公開號為CN1411475A的發(fā)明專利描述了一種包含兩親性接枝共聚物的聚合物電解質(zhì)。公開號為CN 1428363A的發(fā)明專利描述了一種納米孔聚合物電解質(zhì)膜，有較優(yōu)良的充放電性能和循環(huán)性能，這兩種膜性質(zhì)較為不錯，但都是凝膠聚合物電解質(zhì)。

聚氧化乙烯(PEO)/鋰鹽型電解質(zhì)在全固態(tài)鋰聚合物電池中己有應(yīng)用，但從實用化角度來看仍然有些問題需要解決：線形和接枝聚合物機械性能較差，不易制得獨立支撐的聚合物薄膜，而網(wǎng)狀聚合物電導率又太小。因此這類電解質(zhì)體系只適合在高溫或微電流條件下工作，而難于在常溫下工作的鋰電池中得到實際應(yīng)用。

另外，在常規(guī)的有機固態(tài)電解質(zhì)中，電解質(zhì)鹽一般是LiFSI、LiTFSI等小分子鋰鹽，在充放電過程中，體積位阻較大的陰離子會與Li離子共同遷移，造成離子遷移阻力增大，離子遷移率較低，電池極化加劇等問題，而聚陰離子鋰鹽中，陰離子聚合固定在聚合物基體，不會隨Li離子遷移，離子遷移數(shù)接近1.0，大幅提高了有效電導率，提升電池整體電化學性能。

發(fā)明內(nèi)容