[发明专利]一种复合凝胶聚合物电解质及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料和电池技术领域，具体涉及一类复合凝胶聚合物电解质，该类复合凝胶聚合物电解质具有电导率高，循环性能好，价格便宜，安全性能高等特点；本发明还涉及该复合凝胶聚合物电解质的制备方法以及该类复合凝胶聚合物电解质的应用，即用于高安全性能的锂二次电池。

背景技术

在锂二次电池中，目前性能比较理想的为锂离子电池。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，易引起电池爆炸)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的安全性问题，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)。由于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，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，大大限制了其在高安全性锂离子电池中的应用。

玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的无机非金属材料，其单丝的直径在几十个纳米到二十几个微米之间，该材料具有原料廉价，绝缘性好，耐热性强，抗腐蚀性好，机械强度高，阻燃性好的特点，广泛用作复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料等。玻璃纤维经加工可制得玻璃纤维毡片(glass fiber mat, GFM)和玻璃布。玻璃纤维毡片是由玻璃纤维原丝短切成的股纱，由造纸法随机均匀分布成连续玻璃纤维纸片，用乳剂粘结而成的。该材料具有耐化学腐蚀、防火、阻燃、防水、耐老化、耐气候性强、绝缘等特点。被广泛用作玻璃钢基布、防腐、保温、防火阻燃、防水材料、环氧复铜板和电器绝缘制品等。玻璃纤维毡的孔径大小在1 到100 μm 之间，均一性很差，而锂离子电池隔膜要求孔径大小在0.03-0.1μm之间，30-60%的孔隙率以及极高的孔隙均匀性。由此可见，尽管玻璃纤维价格便宜，具有很好的阻燃性和耐化学腐蚀性，其不能直接用作于锂二次电池隔膜。

由于玻璃纤维毡具有很好的支撑作用，被广泛用做铅酸电池隔膜，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热稳定性差，机械强度低，生产成本高，极难在高安全性的大电池中得到广泛应用的缺点，将玻璃纤维毡与其他高分子材料复合，提供一类高电导率，高离子迁移数，机械性能好，安全性能高，生产成本低，电化学性质稳定的复合凝胶聚合物电解质。

本发明的另一目的在于提供上述复合凝胶聚合物电解质的一种制备方法及其在锂二次电池中的应用。

本发明提供了一种复合凝胶聚合物电解质。所述电解质由玻璃纤维毡与高分子材料复合后得到的复合物和液体电解质组成。

上述的玻璃纤维为主要成分为二氧化硅，还可包括其他氧化物如氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠中的一种或者几种。

    上述的玻璃纤维毡为短切原丝毡、连续原丝毡、表面毡、针刺毡及缝合毡中的一种或几种。

上述的高分子材料包括聚醚、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳纶、聚酯中的一种或者多种，也包括它们的均聚物、共聚物或共混物，同时也可以添加合适的无机填料。