[發明專利]一種基于硒正極的高能量準固態鋰二次電池、制備方法及應用

在審

• 申請號: 202211462215.6
• 申請日: 2022-11-22
• 公開（公告）號: CN115863736A
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 王治宇;關夢甜;邱介山;孟祥玉;劉鈺昭
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M10/052
• 分類號: H01M10/052;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0565;H01M10/058
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 許明章;王海波

本發明提供一種基于硒正極的高能量準固態鋰二次電池、制備方法及應用，屬于新能源技術領域。準固態鋰二次電池由硒/碳復合正極，鋰金屬負極和鋰鹽與酯基溶劑經紫外光固化聚合而成的凝膠聚合物基電解質組成。其中正極材料為硒與碳纖維的復合材料，硒為商業化硒粉，硒的載量為30–50wt.％；負極為商業化金屬鋰片；聚合物凝膠電解質為二氟草酸硼酸鋰和六氟磷酸鋰溶于酯基溶劑后，經光引發劑聚合而成。本發明制備的準固態鋰二次電池基于氧化還原反應儲能，具有高能量密度。正極材料固硒效果好，活性物質利用率高；聚合物凝膠電解質可以有效抑制鋰枝晶的生長，降低了電池的安全隱患，具有很高的應用潛力和商業價值。

技術領域

本發明屬于新能源技術領域，涉及一種基于硒正極的高能量準固態鋰二次電池的制備方法及其應用。

背景技術

鋰離子電池已經在計算機、便攜式電子產品、移動通訊等方面被廣泛應用。相比于傳統的鋅–鎳蓄電池、鐵–鎳蓄電池等，鋰離子電池具有能量密度高、使用壽命長、放電電壓高、自放電小、無記憶效應及對環境污染小等優點，是一種理想的儲能器件。但隨著電動汽車以及智能電網等新興領域的迅速發展，基于傳統金屬氧化物(例如，LiCoO₂，LiMn₂O₄，LiFePO₄等等)正極的鋰離子電池能量密度偏低，已經不能夠滿足當前的需求，尤其是新能源汽車的出現，對電池的容量，循環壽命等性能提出了更高的要求。因此，尋求一種高比能量的新型二次電池體系變得尤為重要。

硒作為一種新興的高容量鋰電池正極材料，具有高達675mAh g^-1的高理論比容量，且擁有較高的電導率(1×10^-5S cm^-1)。將硒正極與金屬鋰負極相匹配的新型鋰–硒電池具有1155Wh kg^-1的質量能量密度和2528Wh L^-1的高體積能量密度，是傳統鋰離子電池體系的2倍以上。因此，鋰–硒電池在便攜式電子設備、混合動力汽車和可再生能源存儲方面有著廣闊的前景。但是，硒正極在循環過程中仍然存在活性物質利用率低、多硒化物穿梭、電極體積膨脹等問題，這些問題的存在降低了電池循環穩定性；有機易燃電解液的使用，也給電池帶來了嚴重的安全風險。這些問題嚴重制約了鋰–硒電池的實際化應用。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種基于硒正極和聚合物凝膠電解質的高能量準固態鋰二次電池的制備方案。

為實現上述技術目的，本發明采用的技術方案如下：

一種基于硒正極的高能量準固態鋰二次電池，由正極材料、負極材料和聚合物凝膠電解質組成。

所述的正極材料為硒與碳纖維的復合材料，其中，所述硒為商業化硒粉，硒的載量為30–50wt.％；所述的負極為商業化金屬鋰片；所述的聚合物凝膠電解質為二氟草酸硼酸鋰和六氟磷酸鋰溶于酯基溶劑后，經光引發劑聚合而成。

一種基于硒正極的高能量準固態鋰二次電池的制備方法，包括以下步驟：

第一步，制備正極材料

1)將聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、乙炔黑和過渡金屬鹽加入到N,N–二甲基甲酰胺中，攪拌溶解形成前驅體溶液；其中，所述的過渡金屬鹽為乙酸鈷，硝酸鈷，乙酸鎳，硝酸鎳中至少一種，所述的聚丙烯腈的濃度為65–120mg mL^-1，聚甲基丙烯酸甲酯的濃度為25–65mg mL^-1，乙炔黑的濃度為10–30mg mL^-1，過渡金屬鹽的濃度為10–20mg mL^-1；

2)將步驟1)中得到的前驅體溶液利用靜電紡絲機進行紡絲后，將得到的產物在空氣中熱處理，其中，所述的熱處理溫度為100–300℃，熱處理時間為1–5h；