一种聚合物电解质、制备方法、电池及其制备方法与流程

专利2026-03-05  10


本申请涉及电池,尤其涉及一种聚合物电解质、制备方法、电池及其制备方法。


背景技术:

1、锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着科学技术的发展,锂电池已经成为了主流。锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

2、锂金属电池因其高比容量和低还原电位而受到研究人员广泛关注。传统有机液态电解质的锂电池存在一系列安全问题,固态聚合物电解质具有形状多变、柔韧性好、重量轻和加工成本低等优点,被研究人员视为替代现有锂电池有机液态电解质的理想候选材料。聚合物基固体电解质具有良好的安全性、高界面相容性、低成本和易加工性,是下一代电池的理想材料。过去几十年来,人们一直在研究与聚合物基固体电解质有关的关键问题,如合成方法、离子传导性和电池结构等。

3、尽管聚合物电解质在应用上相较以前取得了巨大进步,但聚氧化乙烯(peo)等聚合物的离子电导率仍明显低于液态电解质或陶瓷电解质。围绕聚合物电解质本身离子电导率差的问题,常在聚合物电解质内部加入无机纳米填料如硫化物电解质、氧化物电解质、sio2、al2o3、tio2、mgo等,以改变聚合物固态电解质的结晶区域,使锂离子可沿填料边界非晶态区域迁移,进而实现离子电导率的提升。然而,无机物填料很难使其室温离子电导率突破10-4scm-1,导致制备的电池一般需在的高温如60℃下才能确保锂离子的快速传输,才能实现较为优异的电化学性能。

4、在聚合物电解质中保留极少量制膜所用的塑化剂,如n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、乙腈、四氢呋喃(thf)等,利用塑化剂分子调控锂离子的配位环境和形成三维离子通道,赋予了聚合物电解质室温离子电导率>10-3s cm-1(25℃)的可能。例如清华大学南策文院士团队以极少量二甲基甲酰胺(dmf),使pvdf基聚合物固态电解质的室温离子电导率由10-9s cm-1提升至1.18×10-4s cm-1(25℃)。但制膜所用的塑化剂dmf、nmp、乙腈、thf等电化学稳定性差,容易导致电极活性材料结构破坏、稳定性下降,同时还会引起锂金属界面退化,带来锂枝晶的生长等一系列副反应问题,一定程度上制约了此方法的实际应用。

5、醚基分子在锂金属表面形成的衍生物可大幅提高电极界面的稳定性,例如在实验中通过少量乙二醇二甲醚(dme)分子(室温离子电导率为10-2s cm-1),可使锂金属在10macm-2,10mah cm-2的苛刻测试条件下稳定循环超过1000次,且表现出极好的界面稳定性。因此,若设想发展醚基分子dme充当固态电解质中的塑化剂,将有望提高固态电解质电导率的同时,解决固态电解质与电极界面的兼容性问题。然而,dme分子氧化窗口低(<4v),简单地将dme渗透进聚合物固态电解质中,与>4.3v的高压电极材料匹配时,将存在电压失配问题,限制了其在licoo2(lco)、linixmnyco1-x-yo2(nmc)等高压电池中的使用。


技术实现思路

1、本发明公开了一种聚合物电解质、制备方法、电池及其制备方法,以解决乙二醇二甲醚在聚合物电解质中应用存在电压失配、不能在某些高压电池中使用的问题。

2、为了实现上述目的,本说明书实施例采用下述技术方案:

3、第一方面,提供一种聚合物电解质,所述聚合物电解质由包含以下的原料制备而成:双三氟甲磺酰亚胺锂、聚乙二醇二丙烯酸酯和引发剂。

4、可选地,所述聚合物电解质还包括溶剂。

5、可选地,所述双三氟甲磺酰亚胺锂、所述聚乙二醇二丙烯酸酯、所述引发剂、所述溶剂的质量比为:(3~4):(1.5~2):(0.15~0.2):5。

6、可选地,所述引发剂为偶氮二异丁腈、二苯基乙酮、2,4-二羟基二苯甲酮中的一种或多种的组合。

7、可选地,所述溶剂为二氧戊环、乙二醇二甲醚中的一种或多种的组合。

8、可选地,当所述溶剂为二氧戊环、乙二醇二甲醚的混合溶剂时,所述混合溶剂中二氧戊环和乙二醇二甲醚的体积比为1:1~5。

9、第二方面,提供一种聚合物电解质的制备方法,包括以下步骤:

10、将双三氟甲磺酰亚胺锂、聚乙二醇二丙烯酸酯与溶剂混合搅拌,得到分散液;

11、向所述分散液中加入引发剂,并避光搅拌得到前驱体溶液;

12、对所述前驱体溶液固化,得到聚合物电解质。

13、可选地,所述对所述前驱体溶液固化中固化是采用光照固化。

14、可选地,所述光照固化是采用紫外光光照固化。

15、第三方面,提供一种电池,所述电池包括第一方面提到的聚合物电解质或第二方面所述的制备方法制备得到的聚合物电解质。

16、第四方面,提供一种电池的制备方法,包括以下步骤:

17、将双三氟甲磺酰亚胺锂、聚乙二醇二丙烯酸酯与溶剂混合搅拌,得到分散液;

18、向所述分散液中加入引发剂,并避光搅拌得到前驱体溶液;

19、在所述负极上设置前驱体溶液,在所述正极上设置前驱体溶液;

20、对设置有前驱体溶液的正极进行固化,得到设置有聚合物电解质的正极,对设置有前驱体溶液的负极进行固化,得到设置有聚合物电解质的负极;

21、将所述负极上的聚合物电解质和所述正极上的聚合物电解质相贴设置,得到电池。

22、本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果:

23、本发明的聚合物电解质、制备方法、电池及其制备方法,聚合物电解质提高锂离子电导率,适配高压正极,降低与正极的界面阻抗,能在高压电池中使用,进而获得能量密度高、安全性好、工作温度范围宽以及寿命长的电池。



技术特征:

1.一种聚合物电解质,其特征在于,所述聚合物电解质由包含以下的原料制备而成:双三氟甲磺酰亚胺锂、聚乙二醇二丙烯酸酯和引发剂。

2.根据权利要求1所述的聚合物电解质,其特征在于,所述聚合物电解质还包括溶剂;和/或,

3.根据权利要求1所述的聚合物电解质,其特征在于,所述引发剂为偶氮二异丁腈、二苯基乙酮、2,4-二羟基二苯甲酮中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的聚合物电解质,其特征在于,所述溶剂为二氧戊环、乙二醇二甲醚中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求4所述的聚合物电解质,其特征在于,当所述溶剂为二氧戊环、乙二醇二甲醚的混合溶剂时,所述混合溶剂中二氧戊环和乙二醇二甲醚的体积比为1:1~5。

6.一种聚合物电解质的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:

7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述对所述前驱体溶液固化中固化是采用光照固化。

8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述光照固化是采用紫外光光照固化。

9.一种电池,其特征在于,所述电池包括权利要求1-5中任一项所述的聚合物电解质或权利要求6-8中任一项所述的制备方法制备得到的聚合物电解质。

10.一种电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:


技术总结
本申请公开了一种聚合物电解质、制备方法、电池及其制备方法,将双三氟甲磺酰亚胺锂、聚乙二醇二丙烯酸酯与溶剂混合搅拌,得到分散液;向所述分散液中加入引发剂,并避光搅拌得到前驱体溶液;在所述负极上设置前驱体溶液,在所述正极上设置前驱体溶液;对设置有前驱体溶液的正极进行固化,得到设置有聚合物电解质的正极,对设置有前驱体溶液的负极进行固化,得到设置有聚合物电解质的负极;将所述负极上的聚合物电解质和所述正极上的聚合物电解质相贴设置,得到电池。本发明聚合物电解质提高锂离子电导率,适配高压正极,降低与正极的界面阻抗,能在高压电池中使用,进而获得能量密度高、安全性好、工作温度范围宽以及寿命长的电池。

技术研发人员:杨慧,刘国锋,王猛,陈东旭,王一丁,王碧琼,于渤,冯迪,张仕琳,石兆威,冯喆,岳宇昂,岳佩瑜,李建伟
受保护的技术使用者:铁塔能源有限公司
技术研发日:
技术公布日:2024/6/26
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