[发明专利]基于固态聚合物电解质的复合凝胶聚合物电解质及其制备方法与应用

说明书

本申请是申请号为201310025675.7、申请日为2013年1月23日、发明名称为“基于固态聚合物电解质的复合凝胶聚合物电解质及其制备方法与应用”的专利申请的分案申请。

技术领域

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

背景技术

锂二次电池尤其是其中的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^-4S 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；同时一般的凝胶聚合物电解质中阴离子的迁移系数高、极化大，限制了锂离子电池的功率密度或者大电流充放电能力。

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、阴离子的迁移系数高、极化大，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基于固态聚合物电解质的复合凝胶聚合物电解质。

本发明的另一目的在于提供一种上述复合凝胶聚合物电解质的制备方法。

本发明的还一目的在于提供一种上述复合凝胶聚合物电解质的应用，即用于锂二次电池中。

本发明提供的一类复合凝胶聚合物电解质，所述的复合凝胶聚合物电解质由复合电解质膜和液体电解质组成，其中复合电解质膜由两层或多层组成，其中至少有一层为固态聚合物电解质，至少有一层为与该固态聚合物电解质不同的高分子材料。

上述固态聚合物电解质为能够传递锂离子的聚合物，上述的该固态聚合物电解质以外的高分子材料不仅包括与该固态聚合物电解质不同的固态聚合物电解质，还包括聚烯烃、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳纶、聚芳醚、聚酯，同时也包括它们的共聚物、共混物，同时在这些聚合物中也可以添加合适的无机填料。

上述的聚烯烃包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)，上述聚酯包括聚(乙二醇-对苯二甲酸酯)，上述的无机填料包括氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆、aLi₂O-bAl₂O₃-cTiO₂-dP₂O₅(a、b、c、d位于1-100之间)组成的化合物、蒙脱土、分子筛或者它们两者或多种化合物的混合物。

上述的液体电解质包括有机化合物或者离子液体与锂盐的溶液。

本发明提供复合凝胶聚合物电解质的制备方法，其具体步骤为：

(1)首先采用溶液法或者加热混合法制备固态聚合物电解质膜；

(2)然后采用溶液法、加热混合法、浸泡法、浇铸法或电纺法，将与上述固态聚合物电解质以外的高分子材料与上述固态聚合物电解质膜复合，形成两层或者多层的复合膜结构；

(3)将上述复合膜置于真空干燥箱中，加热真空干燥，去除可能的痕量溶剂；