[發明專利]一種高性能凝膠聚合物電解質的制備方法、鋰離子電池

有效

• 申請號: 202110413485.7
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113517468B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 付宇;王永勤
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/058;H01M10/0525;A62C3/16;B82Y40/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 劉妍妍

本發明涉及一種高性能凝膠聚合物電解質的制備方法、鋰離子電池，屬于鋰離子電池技術領域。本發明中的凝膠聚合物電解質的制備方法包括：以五水硝酸鉍和九水硫化鈉為原料，通過水熱法制備Bi₂S₃納米棒；對黑磷晶體進行剝離，制備BP納米片；將醋酸纖維素、聚乳酸混合物溶解在有機溶劑中，并攪拌均勻。然后，將BP納米片和Bi₂S₃納米棒加入到上述紡絲溶液中，通過靜電紡絲法，制備PCA/Bi₂S₃?BP膜；將PCA/Bi₂S₃?BP膜浸泡在電解液中進行凝膠化，制備出一種高性能的凝膠聚合物電解質。該電解質具有良好的電導率、阻燃性能和抑制鋰枝晶生長的優點，可以顯著提升鋰離子電池的安全性能和電化學性能。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種高性能凝膠聚合物電解質的制備方法、鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、安全不漏液、低污染且符合環保要求等優點，引起了科研人員極大的興趣和普遍的關注。但是，傳統的鋰離子電池通常采用有機液態電解液，而有機溶劑存在著易燃等一系列缺點。此外，鋰離子的不均勻沉積容易產生鋰枝晶，在長期充/放電循環過程中可能會刺穿隔膜，最終導致電池內部短路。

為了解決這些問題，研究者提出了固態聚合物電解質，如聚環氧乙烷基聚合物電解質和聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)基聚合物電解質等，以取代傳統的液體電解液。然而，這些固態聚合物電解質存在著室溫電導率低、電極/電解質界面阻抗大等缺點，嚴重限制了固態聚合物電解質的實際應用。

與固態聚合物電解質相比，凝膠聚合物電解質(GPE)在室溫下具有更好的電極/電解質界面穩定性、更高的離子電導率和更低的界面阻抗，因此被認為是一種非常有前途的候選電解質。GPE是由聚合物基體、增塑劑和電解質鹽經一定的方法形成的具備一定微結構的聚合物電解質體系，將液體電解液束縛在聚合物網絡結構中，從而實現鋰離子的傳輸。但是，聚合物基體在增塑劑中進行溶脹時，會降低GPE的機械強度，進行影響其對鋰枝晶的抑制作用。徐等人采用冷凍干燥法，制備了一種物理交聯的細菌纖維素基GPE，其拉伸強度為49.9MPa，斷裂伸長率為56.33％，離子電導率達到4.04×10^-3S/cm，鋰離子遷移數為0.514。然而，鋰枝晶的生長應力和剪切模量高達130MPa和6GPa，遠遠超過現有GPE所能承受的范圍。

隨著陶瓷填料，如氧化鋯、氧化鋁、二氧化鈦的引入，其可以明顯改善GPE的力學性能和電化學性能。陶瓷填料與電解質陰離子之間的路易斯酸堿相互作用有利于促進鋰鹽的解離，提高鋰離子遷移速率。但是，機械地將陶瓷填料與聚合物基體復合在一起，難以解決陶瓷填料易于團聚等問題。此外，GPE中仍包含有一定量的易燃液體電解質，存在著潛在的安全隱患。因此，設計并制備一種高離子電導率、阻燃和可抑制鋰枝晶生長的GPE仍然是一個巨大的挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高性能凝膠聚合物電解質(PCA/Bi₂S₃-BP電解質)的制備方法，通過該方法制備的PCA/Bi₂S₃-BP電解質同時具有離子電導率高、阻燃和可抑制鋰枝晶生長的優點，以解決現有方法制備的凝膠聚合物電解質存在著的易燃、不能抑制鋰枝晶生長等問題。

本發明的另一個目的在于提供一種采用上述PCA/Bi₂S₃-BP電解質的鋰離子電池。

為了實現上述目的，本發明提供的技術方案如下：

一種高性能凝膠聚合物電解質，所述高性能凝膠聚合物電解質為PCA/Bi₂S₃-BP電解質，通過BP納米片和Bi₂S₃納米棒制備PCA/Bi₂S₃-BP膜，并在電解液中進行凝膠化制備而成。