[发明专利]锂离子电池凝胶型离子液体/聚合物电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种凝胶型离子液体/聚合物电解质及其制备方法。

背景技术

离子液体(又称为室温熔融盐，简称为RTIL)具有导电性好、蒸汽压低、无可燃性、热容量大、电化学窗口宽和自放电少等优点，作为可替代挥发性有机溶剂的新型绿色溶剂引起人们广泛的关注。近年来，可用作锂离子电池凝胶电解质，在消除锂离子电池安全隐患方面也显示了良好的前景。但凝胶型离子液体/聚合物电解质用于锂离子电池的突出问题是离子电导率低，通常达不到10^-3S/m数量级，并且离子液体与电极材料的相容性不好，电极材料在其中难以表现出理想的嵌脱锂性能和循环性能。特别是咪唑类离子液体，虽然其离子电导率较高(个别可达10^-2S/m数量级)、具有很高的热稳定性和化学稳定性，但是金属锂与其发生反应，并且石墨负极材料在其中的首次充电过程中不会产生由于电解质组分的分解而形成的固体电解质相界面膜(Solid Electrolyte Interface，SEI膜)，石墨负极表面不能被有效钝化，有机阳离子先于锂离子嵌入，阻碍锂离子嵌入反应的发生，使得石墨负极难以进行有效的嵌脱锂循环。目前咪唑类离子液体与锂离子电池负极材料相容性差。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前咪唑类离子液体与锂离子电池负极材料相容性差的问题；而提供了一种锂离子电池凝胶型离子液体/聚合物电解质及其制备方法。

本发明中锂离子电池凝胶型离子液体/聚合物电解质由高分子聚合物、咪唑类离子液体和锂盐制成，其中高分子聚合物与咪唑类离子液体的质量比为1∶1～2，咪唑类离子液体与锂盐的质量比为0.01～6∶1。

本发明中锂离子电池凝胶型离子液体/聚合物电解质的制备方法由下述步骤实现的：一、将高分子聚合物溶入到有机溶剂中，在室温下搅拌至溶液澄清；二、向步骤一得到的溶液中加入咪唑类离子液体，搅拌至均匀；三、向步骤二得到的溶液中加入锂盐，搅拌至得到透明均一的凝胶液；四、将凝胶液倒入聚四氟乙烯模具中，再在50℃～100℃条件下真空干燥24～72h，然后脱去模具，即得到锂离子电池凝胶型离子液体/聚合物电解质；其中步骤一中所述的有机溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、乙腈、丙酮、N，N-二甲基乙酰胺或四氢呋喃，步骤一中所述的高分子聚合物与有机溶剂的质量比为1∶5～1∶30，步骤二中的咪唑类离子液体与步骤一中的高分子聚合物的质量比为1～2∶1，步骤三中锂盐与步骤二咪唑类离子液体的质量比为1∶0.01～6。

上述的高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)、聚氧乙烯、聚吡咯、甲基丙烯酸甲酯中的一种或其中两种的混合。上述的咪唑类离子液体为六氟磷酸1-甲基-3-乙基咪唑、四氟硼酸1-甲基-3-丁基咪唑、二(三氟甲基磺酰)亚胺1-甲基-3-丁基咪唑或二(三氟甲基磺酰)亚胺1-甲基-3-乙基咪唑。上述的锂盐为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂中的一种或其中两种的混合。

本发明的电解质的室温离子电导率可达0.53×0^-3S/m，热稳定性好及电化学稳定窗口宽，钛酸锂负极在该电解质中比容量可达理论比容量2倍以上，还可以在很大程度上消除液态锂离子电池的安全隐患，实现电池全固态结构、残留液体极少，封装灵活的目的。本发明的电解质与钛酸锂负极相容性良好，用其制造的锂离子电池在0.1C倍率下首次充电比容量为480mAh穏^-1，达到钛酸锂理论比容量(175mAh/g)的2倍以上(见图2)；经过20次循环后，比容量下降至134mAh/g，与钛酸锂负极在传统有机电解液(例如，1mol·L^-1 LiPF₆，EC∶DEC∶EMC＝1∶1∶1，质量比)中表现的比容量相当。本发明的电解质是一种弹性自撑电解质，其离子液体蒸汽压低，从而无可燃性，并且毒性小，无漏液，绿色环保，从而大大提高了锂离子电池的安全性能。本发明方法工艺简单、便于操作、成本低。

附图说明