[发明专利]一种不燃凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开的不燃凝胶聚合物电解质是先将混合均匀的乙烯基含磷化合物、乙烯基化合物和锂盐溶解在增塑剂中，然后加入引发剂，倒入模具内铺平或滴加于装配在电池正负极之间的隔膜使之浸润，并在50～80℃下加热3～24小时即可使其中的单体原位聚合，获得不燃凝胶聚合物电解质。该凝胶聚合物电解质具有较高的磷含量，不仅在遇到明火时不能被点燃，还具有较高的室温下的离子电导率、锂离子迁移数和电化学窗口。当应用于锂电池时，可以避免乙烯基含磷化合物迁移所导致副反应，可在实现不燃性的同时降低对电化学性能的破坏。

技术领域

本发明属于聚合物电解质及其制备和应用技术领域，具体涉及一种原位聚合制备的不燃凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用。

背景技术

锂电池由于能量密度高，无记忆效应，循环寿命长等优点近年被广泛应用到动力电池及电子产品等领域。随着国家对新能源汽车的大力发展和推广，人们对动力汽车的续航能力有了更高的要求。按照国家动力电池技术路线图的规划，到2020年，电池单体比能量达到350瓦时/公斤。在电池的能量密度不断被提升的同时，电池稳定性会有所下降。2019年8月18日，清华大学电池安全实验室发布《2019年动力电池安全性研究报告》，自2019年以来，电动汽车自燃起火事故频发，据不完全统计，和动力电池相关的电动汽车安全事故统计已达40余起。而目前商业化锂电池使用的有机液体电解质的溶剂为碳酸酯类化合物，如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)等，这些溶剂闪点较低，挥发性较强，是锂电池中最易燃的一部分。

自法国Armand等报道了PEO碱金属盐络合物在40～60℃时离子电导率达10^-5S/cm以来，聚合物电解质由于其出色的性能，如加工性，安全性，轻质灵活性可用作锂电池电解质而受到了广泛的关注。尽管固体聚合物的安全性和可靠性相较液体电解质得到了极大的提高，但由于离子电导率低(大多数在10^-8至10^-5S cm^-1)，固体电解质很难实现其商业应用。

为了提高聚合物电解质的离子电导率，本领域的专业技术人员认为，目前最有效的方法是添加低分子量增塑剂以形成凝胶聚合物电解质，但是所使用的增塑剂基本上是常用的液体电解质，或是有机的碳酸酯类溶剂。如CN108682863A公开的一种锂电池聚合物凝胶电解质，就是将改性水解聚丙烯腈和多醛基海藻酸钠复配后再与增塑剂、锂盐搅拌混合制得的锂电池聚合物凝胶电解质，所用的增塑剂为环氧油酸酯和碳酸二甲酯，其在聚合物凝胶电解质中所占的重量分数达到55～75份。又如CN110212242A提供了一种将聚氨酯、(丙烯腈-醋酸乙烯酯)共聚物、(甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯)溶解并加入造孔剂，采用静电纺丝技术或浇铸形成多孔聚合物膜并置于锂盐电解液中活化制备得到的多孔凝胶聚合物电解质，其锂盐电解液的吸收量达到255～301％。以上制备得到的凝胶聚合物电解质均可以实现优异的离子电导率(1.3～6.0×10^-3S cm^-1)，但是大量的易燃的碳酸酯类增塑剂存在于聚合物基体中，使得以此构建的锂电池仍然具有燃烧爆炸的潜在危险。

发明内容

本发明的目的是针对凝胶聚合物电解质存在的燃烧问题，首先提供一种原位聚合制备的不燃凝胶聚合物电解质。

本发明的另一目的是提供一种利用上述不燃凝胶聚合物电解质制备的锂电池。

本发明的第三个目的是提供了一种上述不燃凝胶聚合物电解质的应用。

本发明提供的一种不燃凝胶聚合物电解质，该聚合物电解质按质量分数计是将以下组分经原位聚合而得：

该凝胶聚合物电解质点火测试不燃，室温离子电导率为1.0-9.6×10^-4S cm^-1，锂离子迁移数为0.38-0.77，电化学窗口为4.2-5.0V。

上述聚合物电解质按质量分数计各组分优选如下：