[发明专利]梯度钛酸钡含量的多功能凝胶聚合物电解质的制备方法

说明书

本发明提供了一种梯度钛酸钡含量的多功能凝胶聚合物电解质的制备方法，属于聚合物锂离子电池领域，具体制备方法包括：步骤Ⅰ：将聚合物材料和钛酸钡加入N,N‑二甲基甲酰胺和丙酮混合溶剂中并混合均匀，制备出至少两种不同钛酸钡含量的纺丝液；步骤Ⅱ：采用静电纺丝技术，依次将所述至少两种不同钛酸钡含量的纺丝液连续静电纺丝，纺制成钛酸钡含量呈梯度变化的聚合物纤维膜；步骤Ⅲ：将步骤Ⅱ得到的聚合物纤维膜烘干，并在氩气环境中吸附电解液，活化和凝胶化后制备成聚合物电解质。本发明制备的电解质组成电池后既可以保证聚合物电解质膜的离子电导率和力学强度，组装成电池后又能实现锂离子电池的长时间循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝技术制备的多功能凝胶聚合物电解质，属于聚合物锂离子电池领域。

背景技术

作为一种重要的能源存储器件，锂离子充电电池被广泛应用在军事和民用的各种电子设备和能源装置上面。过去的很长时间，关于能源存储的大量研究工作主要建立在液体电解质基础上，虽然经过长时间的研究和发展能基本满足应用，但是其耐温性和安全性差，具有易燃性、易泄漏性和毒性，尤其是以的锂金属(理论比容量为3680 mA•h•g^-1)作为负极时，液体电解质会引发大量的锂枝晶，长时间循环后锂枝晶会刺穿隔膜使得电池短路从而带来严重的安全隐患。此外，长时间循环后正极活性材料会溶解在电解液中影响电池的稳定性。同时，纯固态聚合物电解质的室温离子电导率较低，不能得到广泛的应用，因此发展高稳定性的功能凝胶电解质是一项至关重要的研究工作。

从实际应用角度出发，作为锂电池的凝胶电解质需要具有大量的微孔结构，从而可以充分吸附电解液。此外，还需具有较高的离子电导率和离子迁移数，低的界面阻抗，稳定广泛的电化学窗口，优异的化学及热稳定性，良好的机械强度以及低的成本和简单方便的制备工艺。一般来说，使用浇注涂膜的方法制备得到的多孔膜聚合物电解质膜具有较高的力学强度，但电化学性能较差，而且并不能形成真正的凝胶态膜，仍然存在电解液泄露的问题。相比而言，用静电纺丝技术制备的电解质骨架材料具有较高的吸液率，能够形成真正的凝胶态结构，电化学性能更加优异，并且吸附电解液后电解质膜的力学强度会大大提高。静电纺丝法制备凝胶电解质常用的聚合物基体有PVDF及其共聚物PVDF-HFP、PEO、PMMA和PAN等，但是纯聚合物纤维膜由于耐温性差、界面不稳定等问题难以直接应用，因此要在基体中共混纳米填料或者采用多层复合膜的方法，以提高强度改善电解质膜整体性能。

本专利从凝胶聚合物电解质材料的结构设计出发，采用静电纺丝的方法，通过多层连续纺制含有不同质量分数纳米填料的纺丝膜，设计制备了一种新型的具有纳米填料浓度梯度的多功能凝胶电解质骨架材料，吸附电解液后得到凝胶型聚合物电解质。组装电池时不同纳米填料含量的纺丝膜分别靠近电池的正负极，具有不同的功能性，将添加了高含量的具有高介电常数纳米填料的纤维膜靠近正极一侧，一方面可以降低正极活性物质的溶出，抑制正极与电解质界面副反应导致的锂离子失活问题，另一方面可以平衡在脱嵌锂过程中电极与电解质界面的电势差，从而改善电池的循环性能，在高电压下电池仍然具有良好的稳定性；为了避免纳米填料与金属锂负极反应，将纯聚合物膜一侧靠近锂负极，有利于稳定的SEI膜（固体电解质相界面膜）形成。通过这种结构设计，有效解决了目前聚合物凝胶电解质电池由界面不稳定引起的各种问题，最终制得的聚合物基凝胶电解质在室温下具有高离子电导率、较宽的电化学窗口、优异的力学性能、耐温性和高电压下优异的循环性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用静电纺丝技术制备具有高离子电导率的多功能性凝胶聚合物电解质膜的方法，具体技术内容如下。

一种梯度钛酸钡含量的多功能凝胶聚合物电解质的制备方法，包括以下步骤：

步骤Ⅰ：将组分Ⅰ和组分Ⅱ加入组分Ⅲ中并混合均匀，制备出至少两种不同组分Ⅱ含量的纺丝液；

步骤Ⅱ：采用静电纺丝技术，依次将所述至少两种不同组分Ⅱ含量的纺丝液连续静电纺丝，纺制成组分Ⅱ含量呈梯度变化的聚合物纤维膜；