[发明专利]一种纳米复合纤维增强凝胶聚合物电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力锂离子电池材料及其制备方法，尤其是纳米复合纤维增强凝胶聚合物电解质及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有很高的能量密度，已经广泛用作便携式电子电器设备的移动电源，也已经在电动汽车上初步应用。然而，时常出现于新闻报端的锂离子电池燃烧和爆炸事故，引起人们的高度关注。特别地，大容量锂离子电池在大倍率充放电时，产生的巨大热量，引起电池内部碳酸酯类有机溶剂挥发为气体，积聚在电池内部，造成电池内部压力增加。在这种情况下，电池必须通过泄压阀释放有机化合物气体。如果这些气体不能及时释放，电池就可能发生爆炸。即使这些气体得到及时释放，它们也会带来安全隐患，例如遇明火燃烧。

因此，人们必须寻找切实可行的方法解决这个问题。

目前，在液态锂离子电池中，聚烯烃微孔膜广泛用作正负极之间的隔膜，其加工方式是对聚烯烃薄膜进行单轴或双轴拉伸，薄膜具有亚微米级的微孔结构，利于离子的迁移，所以具有较高的室温离子导电率。但是，随着电极材料的纳米化，从正极上脱落的纳米电极材料可能穿过隔膜到达负极、或者堵塞聚合物膜的微孔，导致电池性能恶化。因此，由聚合物混合锂盐制备的固态聚合物电解质进入人们的视线。这种固态聚合物电解质不含碳酸酯类有机化合物，由其组装的聚合物锂离子电池具有很高的安全性能。但是，固态聚合物电解质的室温离子导电率约为10^-6S/cm数量级，难以胜任大电流密度充放电。在其中加入有机小分子增塑剂，合成凝胶聚合物电解质，虽然可以将其离子导电率提高到10^-4S/cm数量级，但是机械性能遭到破坏，可能引起电池内部短路。于是，人们开始使用含氟聚合物做凝胶聚合物电解质的基体并掺杂无机纳米粒子改善凝胶聚合物电解质的机械性能，这种聚合物电解质一般具有10^-3S/cm数量级的室温离子导电率。例如，公开号CN102013516A公开了一种纳米复合聚合物电解质，发明人通过高压静电纺丝技术，将含有纳米SiO₂的PVDF/PMMA共混聚合物溶液制备纳米纤维膜，吸附电解质溶液后具有2.55×10^-3S/cm。

CN101805454A公开的PVDF/P(VDF-HFP)共混纳米纤维膜吸附电解质溶液后的室温离子导电率达到3.04×10^-3S/cm。美中不足的是，在这种凝胶聚合物电解质中，电解质溶液主要通过物理吸附存在于其中，容易渗漏而引起电池性能的恶化。为了保持电解质溶液，公开号CN101388441A公开了一种通过辐射活化PVDF无纺布表面再接枝PMMA的方法，利用PMMA与电解质溶液相容性好的特点，有效截留电解质溶液，并具有3.9×10^-3S/cm的室温离子导电率。由于辐射深度的影响，接枝反应只发生在PVDF纤维膜表面，难以在内部进行，实际上，这种凝胶聚合物电解质相当于在膜表面装了一扇门，将电解质溶液简单封闭在多孔聚合物膜内部，因此这种凝胶聚合物电解质在折叠式、或者卷绕式工业化锂离子电池组装过程中，可能引起接枝PMMA膜的破裂而达不到预期效果。而且，其吸附的电解质溶液中仍然含有易燃、易挥发的碳酸酯类有机化合物，也不能彻底解决聚合物电解质的安全性能。

离子液体，又称室温熔融盐(room temperature melton salt)，在较宽的温度范围保持液体状态，完全由阴、阳离子组成，具有不挥发、不燃烧、电化学窗口宽和离子导电率高的特点，替代碳酸酯类有机溶剂合成电解质溶液，可以保证锂离子电池的安全性能。由于静电纺丝工艺制备的超细纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、吸液率及通透性好等优点，已经成为目前合成高离子导电率聚合物电解质的较好工艺。直接由纳米复合聚合物纤维膜吸附离子液体基电解质溶液，可以得到较高的室温离子导电率，虽然可以解决电池的安全性能，但是纤维膜具有相互连通的微米级微孔，纳米电极材料可穿过隔膜，引起电池循环性能恶化。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米复合纤维增强凝胶聚合物电解质及其制备方法，其工艺简单、可工业化生成。

实施本发明所采用的技术方案是，主要包括以下内容：

一种纳米复合纤维增强凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤和方法：