[发明专利]一种复合型凝胶聚合物电解质制备方法及其锂离子电池

说明书

本发明公开了一种复合型凝胶聚合物电解质制备方法及其锂离子电池，所述复合型凝胶聚合物电解质的制备过程包括：聚合物的溶解、交联剂的引入、无机填料的分散、锂盐的溶解以及浆料浇注成膜，制备的复合型凝胶聚合物电解质能有效地改善传统凝胶电解质存在的溶剂迁移性和挥发性较大、电化学稳定性及热稳定性较差、离子电导率低、机械强度低、电解质与电极界面稳定性差等问题，具有室温离子电导率高，电化学电压窗口宽，机械性能高且电解质对正负极的粘结性较好的优势，使得锂离子电池的安全性能和电化学性能得到大幅提高；同时制备方法简单快速，成本低，由其组装而成的锂离子电池外观轻薄、电化学性能优异，具有十分广阔的市场应用前景。

技术领域

本发明属于聚合物锂离子电池技术领域，具体涉及一种复合型凝胶聚合物电解质制备方法及其锂离子电池。

背景技术

由于锂离子电池具有能量密度高、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点，因此自20世纪90年代锂离子电池实现产业化以来，锂离子电池就不仅在便携式电子产品和电动交通工具领域都得到了广泛的研究与应用，而且对能源结构调整和能源与环境的可持续发展方面具有重要的促进作用。目前锂离子电池已成为手机、笔记本电脑等移动电子设备的标配电源，并已经在电动汽车和混合电动汽车领域得到了广泛的应用。

目前，商业化的锂离子电池主要是使用以碳酸酯为溶剂的液态电解质作为离子传导介质。但是液态锂离子电池的电解质漏液，有机溶剂易挥发、燃烧产生热失控问题，会产生严重的安全隐患，所以液态电解质并不能完全满足大规模储能对安全性的要求。因此，兼顾聚合物良好加工性能和液体电解质的高离子电导率，可以有效改善液态锂离子电池的漏液、易燃和爆炸等问题，且电池的外形设计灵活，可连续生产的凝胶聚合物电解质(GPE)受到了广泛的关注与研究。

聚合物电解质（PEs）是聚合物锂离子电池的重要组成部分，由于科研人员对聚合物锂离子电池的应用更为广泛的研究，因此对聚合物电解质性能的要求不断提高，因此开发出性能优异的聚合物电解质对该领域的发展起到重要的推动作用。聚合物电解质主要是有聚合物和锂盐构成一类新型的离子导体，具有质量轻、粘弹性好、形状可控等优势。由于固态聚合物电解质不含有任何有机溶剂，因而不会发生泄漏，大大提高了安全性能；而且聚合物电解质具有良好的柔韧性和可加工性能，可以缓解在充电过程中活性物质的体积变化，显著提高循环和安全性能。凝胶聚合物电解质（GPEs）就是聚合物单体、增塑剂和锂盐通过一定方法而制备出的聚合物电解质膜。作为一种特殊的物质形态，凝胶介于固态与液态之间，这种二元性保证了凝胶既具有固体的粘结性，同时也具备液体扩散传输物质的性质，因此凝胶聚合物电解质既具有聚合物的良好加工性能，同时又具有有机液体电解质离子电导率高的性能，成为目前研究的重点。目前，聚合物电解质中聚合物研究最多的材料主要有PEO（聚氧化乙烯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PAN（聚丙烯腈）、PVDF（聚偏氟乙烯）及PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯）共聚物。但是凝胶聚合物电解质的室温离子电导率偏低、不能满足大功率充放电需要、电极电解质界面接触不好以及较高比例增塑剂存在而导致的机械强度偏低、耐热性能差等问题，在一定的程度上限制了凝胶聚合物电解质在锂离子电池中的应用。

使用无机纳米填料对聚合物基底进行改性，并制备出复合型凝胶电解质，是现阶段改善凝胶聚合物电解质膜性能的有效路径之一。其SiO₂、Al₂O₃、沸石、γ-AlLiO₂、TiO₂ 和ZnO 等是最常用的无机填料。加入无机纳米填料能明显提高机械强度和离子导电性，且在一定范围内随填料含量的增加而增加， 超过一定的值由于空间电子效应则会导致导电率下降。除此之外，无机氧化物纳米粒子还可以吸附胶态电解质中的微量水分以及电解质锂盐分解产生的酸性物质，有效改善聚合物电解质与电极之间的界面性质。