[发明专利]一种凝胶态聚合物锂离子电池电解质及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种用支撑体支撑，且掺杂了纳米颗粒的锂离子电池凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用。

背景技术

凝胶聚合物电解质(GPE)由于同时兼备了液态锂离子电池离子电导率高和固态锂离子电池安全性好等特点，从其问世以来，引起了科研工作者的广泛兴趣。迄今为止，已经报道了许多用作GPE基体的聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚氯乙烯(PVC)等。但上述基体仍然存在一些缺陷：(1)室温下的电导率偏低，离液体电解质的水平还有一定差距；(2)机械强度有待进一步提高，以便满足工业化的需要。其中一种提高离子电导率的方法是将具有不同功能的单聚物共混；而提高机械强度的方法是用机械强度很好的隔膜作为聚合物的支撑体。

为了进一步提高GPE的综合性能(离子电导率及机械强度)，可以在聚合物基体中添加纳米粒子。公开号为CN101062987A的中国发明专利申请公开了“一种多孔型凝胶聚合物电解质薄膜及其制备方法”；公开号为CN101070398A的中国发明专利申请公开了“一种聚烯烃微孔膜支撑凝胶聚合物电解质薄膜的制备方法”。已公开的这两个专利(申请)的离子电导率偏低，刚刚达到10^-3S·cm^-1，难于应用于锂离子的工业化生产，其它的电化学性能也有待于进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种离子电导率高、机械强度好、热稳定性和化学稳定性好、用支撑体支撑的掺杂纳米颗粒的锂离子电池凝胶聚合物电解质。

本发明的另一目的在于提供一种上述凝胶聚合物电解质的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述凝胶聚合物电解质在锂离子电池中应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明首先提供了一种用支撑的掺杂纳米颗粒的锂离子电池凝胶聚合物电解质的制备方法：

(1)在惰性气体气氛下，将共混物聚氧化乙烯(PEO)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)按质量百分比为0.5～5％的比例溶解于溶剂中，并加入纳米颗粒，在30～50℃的温度下用带回流管的烧瓶加热搅拌2～10小时；

(2)完全溶解后，将机械强度较高的未活化的支撑体浸泡于步骤(1)所得到的凝胶液体中，10～20分钟后取出，自然晾干，即制备得到一定厚度的支撑的掺杂纳米颗粒的锂离子电池凝胶聚合物膜；

(3)聚合物膜裁剪成适当的尺寸后，在40～55℃下真空干燥10～20小时后，迅速转移到手套箱(用于提供水的含量小于60ppm且氧气的含量小于2000ppm的环境下)中。聚合物膜浸泡在电解液中1～2小时后，得到支撑的掺杂纳米颗粒的锂离子电池凝胶聚合物电解质。

为更好的实现本发明：

步骤1中，优选以下条件：

所述共混物中PEO和PVDF-HFP的质量比为1∶1～1∶5；所述纳米颗粒的加入量为共混物质量的5～20％。

所述的溶剂为丙酮、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃其中之一或者上述三种溶剂的任意组合；所述纳米粒子包括SiO₂、Al₂O₃、SnO₂、TiO₂、LiAlO₂、CeO₂、Fe₃O₄、稀土、粘土或沸石。

步骤2中，优选以下条件：

所述未活化的支撑体包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丙烯-乙烯-丙烯(PP-PE-PP)三层复合隔膜或无纺布。

步骤3中，优选以下条件：

所述电解液由LiPF₆、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)组成，其中EC∶DMC∶EMC质量比为1∶1∶1，LiPF₆的摩尔浓度取1mol/L。

由上述方法制备得到的支撑的掺杂纳米颗粒的锂离子电池凝胶聚合物电解质可应用到制备聚合物锂离子电池中，具体应用方法可包括以下两种：

一种应用方式，包括如下的步骤：将上述支撑的掺杂纳米颗粒的锂离子电池凝胶聚合物电解质，正极材料和负极材料一起在手套箱中装配成锂离子扣式电池。该扣式电池可以用于电子产品如电子词典，手表，计算器等。