[發(fā)明專利]一種柔性全固態(tài)、有機二次電池及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112599774A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董麗杰;歐穎;熊宇風(fēng);胡正飛;張揚
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60;H01M4/66;H01M10/05;H01M10/0565;H01M10/058
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 李丹

本發(fā)明公開了一種柔性全固態(tài)、有機二次電池及其制備方法和應(yīng)用，所述電池的正極材料為p?型聚合物，包含三芳胺自由基和氮氧自由基氧化還原位點；所述電池的負(fù)極材料為n?型聚合物，包含共軛羰基氧化還原活性位點；所述電池包含聚合物電解質(zhì)，所述聚合物電解質(zhì)為微孔凝膠聚合物電解質(zhì)；所述電池還包含柔性聚合物基集流體，柔性聚合物基集流體為金屬包覆的聚合物導(dǎo)電膜。本發(fā)明得到的全固態(tài)、有機二次電池避免了有機電解液、無機過渡金屬化合物、金屬鋰及傳統(tǒng)金屬箔集流體的使用，安全性大幅提升，具有較高的電壓平臺及優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能，并克服了傳統(tǒng)電池反復(fù)彎折過程中材料易剝離的問題，應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及屬于二次電池的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種柔性全固態(tài)、有機二次電池及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

以鋰離子電池為代表的二次電池因具有較高能量密度和功率密度，已被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備及動力汽車領(lǐng)域。伴隨著小型化、便攜式、可穿戴電子器件的問世，迫切需要全固態(tài)、柔性、耐彎折、高容量的二次電池作為其能量的輸入來源。目前,傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料主要為無機過渡金屬氧化物或磷酸鹽化合物。負(fù)極主要為碳材料、氮化物、硅基材料及金屬鋰等。受無機電極材料晶格所限，電池的能量密度難以進(jìn)一步提高。電極所需關(guān)鍵材料(例如鎳、鈷、鋰)來源有限，其復(fù)雜的加工制備過程所引起的環(huán)境問題是現(xiàn)階段鋰離子電池發(fā)展的另一個令人關(guān)切的問題。此外，傳統(tǒng)的電池中主要使用液態(tài)電解液，存在泄漏、溢出等安全性問題。并且，正負(fù)極集流體主要為銅箔和鋁箔，雖具有良好的導(dǎo)電性，但缺少柔韌性，且在彎曲折疊后極易產(chǎn)生不可逆的折痕、破裂，進(jìn)而導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，影響電池性能，甚至引發(fā)安全問題。因此，開發(fā)新型柔性、耐彎折、高性能二次電池，必須從新型電極材料的開發(fā)、柔性電極的制備及固態(tài)電解質(zhì)的研制三個方面全面突破。

近年來，有機電極材料因具有資源豐富且結(jié)構(gòu)可設(shè)計等優(yōu)點在電化學(xué)儲能領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。一般來講，根據(jù)氧化還原反應(yīng)中電荷的狀態(tài)可以將有機電極材料分成三類：n-型、p-型及bipolar-型。n-型材料通常具有較低的氧化還原電位，因此常作為負(fù)極材料使用；p-型材料與之相反通常作為正極材料使用；bipolar-型材料則兼具兩種不同的氧化還原電位。因此，理論上，通過不同類型的有機電極的組合，可設(shè)計開發(fā)全有機二次電池。

如何提升活性物質(zhì)和導(dǎo)電集流體之間的結(jié)合，是柔性電池工作過程中性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)。目前，最直接有效的方法就是以柔性且輕便的導(dǎo)電薄膜材料來替代金屬箔。通過構(gòu)筑具有粗糙表面的柔性導(dǎo)電薄膜材料可使電極材料與集流體之間形成緊密的物理交叉連接，克服電極反復(fù)彎折易剝離的問題。

同時，為開發(fā)全固態(tài)柔性電池，利用聚合物電解質(zhì)替代電解液不可或缺。相較于全固態(tài)聚合物電解質(zhì)僅通過自由體積區(qū)域鏈段的運動傳輸離子，微孔凝膠聚合物電解質(zhì)由于可利用微孔結(jié)構(gòu)吸附大量的電解液，在凝膠相和液相中傳輸離子，可實現(xiàn)較高的離子電導(dǎo)率，最高可達(dá)10^-3S cm^-1，比全固態(tài)聚合物電解質(zhì)高出2-3個數(shù)量級，具有廣闊的應(yīng)用前景。

到目前為止，大量的研究主要著力于以上某一類問題。若能開發(fā)出新型有機電極材料的同時，利用輕質(zhì)柔性的導(dǎo)電薄膜構(gòu)筑柔性電極，且采用微孔凝膠聚合電解質(zhì)共同構(gòu)筑柔性全固態(tài)、有機二次電池，對現(xiàn)階段二次電池的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容

基于以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種處理效果好的柔性全固態(tài)、有機二次電池及其制備方法和應(yīng)用，該柔性全固態(tài)、有機二次電池在開發(fā)出新型有機電極材料的同時，利用輕質(zhì)柔性的導(dǎo)電薄膜構(gòu)筑柔性電極，且采用微孔凝膠聚合電解質(zhì)共同構(gòu)筑柔性全固態(tài)、有機二次電池。