[发明专利]基于无纺布的锂离子电池凝胶聚合物电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一类锂离子电池凝胶聚合物电解质及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型化学电源，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应等优点，自其商品化以来已广泛应用于笔记本电脑、数码相机、手机等各种便携式电子设备中，同时其也是混合动力电动汽车（HEV）、插电式混合动力电动汽车（PHEV）、纯电动汽车（EV）及小型智能电网的理想储能设备之一。然而，由于LiPF₆系有机电解液（对水份敏感，易燃，易引起爆炸）的广泛应用使得大容量锂离子电池的安全性和可靠性受到质疑。为了解决常规锂离子电池安全性问题，聚合物锂离子电池（Polymer lithium ion batteries）逐渐成为了研究热点。该类电池的正、负极材料与常规锂离子电池相同，只是采用了固体聚合物来代替有机电解质和隔膜。研究最多的聚合物主要有以下几类：聚醚类(主要是PEO)、聚丙烯腈(PAN)类、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)类及聚偏氟乙烯(PVDF)类等。聚合物锂离子电池解决了传统锂离子电池易发生漏液和漏电电流大的问题，安全性显著提高；另外，聚合物材料可塑性强，故该类电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，从而可以明显提高电池的比容量。用于电解质的聚合物可以是纯固态（固体聚合物电解质，solid polymer electrolytes, SPEs）也可以是加入增塑剂的凝胶体（凝胶聚合物电解质,gel polymer electrolytes, GPEs）。但固体聚合物电解质的电导率偏低（< 10^-4 S cm^-1），远未达到实际应用的水平；凝胶聚合物电解质具有固体和液体电解质的双重性质，电导率与有机液体电解质相当，并且电化学窗口较宽，热稳定性好，受到广泛关注。但是，凝胶聚合电解质机械强度差，生产成本高，大大限制了其在大容量高功率锂离子电池中的应用。

无纺布（nonwoven fabrics）又称为不织布，是将纺织短纤维或者长丝进行定向或随机撑列，然后采用干法拉伸、热熔融喷丝或湿法拉伸等方法制成地纤网结构，是一种不需要纺纱织布而形成的织物。无纺布突破了传统的纺织原理，具有工艺流程短、生产速率快，产量高、成本低等诸多优点。制作无纺布所用的原料主要有合成高分子材料及天然纤维，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯醇（PVA）和纤维素等，它可以由一种原材料制得也可以多种原材料按不同比例混合进行制造。无纺布的孔径分布多在1μm 到100 μm 之间，均一性很差，而锂离子电池隔膜要求孔径范围在0.03 μm-0.1 μm，30-60%的孔隙率以及极高的孔隙均一性。由此可见，无网布不可能直接用作于锂离子电池隔膜，然而，无纺布生产成本低，生产工艺简单，价格便宜对于大容量锂离子电池极具吸引力。

目前，无纺布被大量用于主流碱性电池（如镍氢、镍镉电池）隔膜，但对其改性用作为锂离子电池聚合物电解质的研究较少，未见相关专利报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有凝胶聚合物电解质机械强度差，生产成本高，极难在大容量、高功率、高能量密度锂离子电池中得到广泛应用的缺点，提供一类高电导率，高离子迁移数，机械性能好，安全性能高，化学性能稳定，生产成本低，与常见电极材料匹配性好的无纺布改性锂离子凝胶聚合物电解质。

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及其在锂离子电池中的应用。 

 本发明提供的一类锂离子电池凝胶聚合物电解质，由无纺布与无纺布外的高分子材料复合后得到的复合物和液体电解质组成。其中：

 所述无纺布为PP、PE、PA、PVDF、PTFE、PET、PA6、PLA、PBI、PVC、PVA、PC、PPS、PU、涤纶、丙纶、氨纶、芳纶、碳纤维、维纶、黏胶、锦纶、天然纤维、无机纤维等高分子材料的一种或几种组成；所述高分子材料为聚醚类、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯及聚偏氟乙烯(PVDF) 的均聚物、共聚物或共混物。 

 本发明提供的上述凝胶聚合聚合物电解质的制备方法，具体步骤为：

（1）将所述高分子材料于40^oC-80 ^oC 下温度下溶解于溶剂中，得到均一澄清的高分子材料溶液，冷至室温； 

（2）用浸泡或浇铸方法，使无纺布孔径不一的大孔中被所述其它高分子材料溶液浸渍，将溶剂挥发，得到复合物；