本發(fā)明屬于新能源材料與器件，具體涉及了一種通過多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體在常溫下原位聚合，制備出可匹配高壓、高容量正極、高容量負(fù)極的凝膠電解質(zhì)，用以組裝高比能固態(tài)鋰電池。

背景技術(shù)：

1、電池作為新能源產(chǎn)業(yè)重要儲能方式與運行的動力支撐，對于國家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的真正實現(xiàn)有著重要的意義。目前，商業(yè)應(yīng)用的磷酸鐵鋰/石墨電池體系的能量密度達到300wh/kg以上，已經(jīng)接近理論極限，遠遠無法滿足日益增長的里程需求，故亟待提高電池的能量密度。同時，現(xiàn)有電池使用的液態(tài)電解液大多具有本征可燃性與泄露風(fēng)險，存在安全隱患。因此，開發(fā)以固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)為核心的高安全、高比能鋰電池是電池體系升級換代的重要手段。

2、由聚合物基質(zhì)、液態(tài)增塑劑組成的凝膠電解質(zhì)已經(jīng)作為一種準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)被開發(fā)，它結(jié)合了全固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解液的優(yōu)點，是現(xiàn)階段最有應(yīng)用潛力的固態(tài)電解質(zhì)。原位聚合可以使固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極均有良好接觸、形成離子通路以匹配高負(fù)載正極，是極具潛力的凝膠電解質(zhì)制備方法。然而，為了達到高比能固態(tài)電池的目標(biāo)，電解質(zhì)需要具有寬的電化學(xué)窗口來匹配高電壓、高容量的正極材料，這對聚合單體提出了極高的要求。而可耐受高壓的聚合單體，最常見的均具有酯基、碳碳雙鍵共軛結(jié)構(gòu)，需在50℃以上引發(fā)聚合。然而，前驅(qū)體溶液常因受熱不均勻、易受熱流動等，造成聚合后的凝膠電解質(zhì)分布不均勻；同時，加熱時正負(fù)極與電解質(zhì)副反應(yīng)也大大增加，限制了常見耐高壓單體在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

3、因此，本發(fā)明通過lewis酸基多功能添加劑的加入，在提高電化學(xué)窗口以匹配高壓正極、保護高容量負(fù)極的同時，降低能耗在常溫下完成原位聚合，是一種極具潛力的應(yīng)用于高比能固態(tài)電池的凝膠電解質(zhì)的制備方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中耐高壓單體在加熱聚合過程中存在的問題，及高比能固態(tài)電池的設(shè)計需要，本發(fā)明提供了一種通過多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體在常溫下原位聚合，制備出可匹配高壓、高容量正極和高容量負(fù)極的凝膠電解質(zhì)以組裝高比能固態(tài)鋰電池的方法。

2、實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種通過多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體在常溫下進行原位聚合，制備出可匹配高壓、高容量正極和高容量負(fù)極的凝膠電解質(zhì)的方法，包括如下步驟：

4、(1)將聚合單體、增塑劑、多功能添加劑混合溶解，形成均相前驅(qū)體溶液1；

5、(2)將引發(fā)劑與增塑劑混合溶解，形成均相前驅(qū)體溶液2；

6、(3)混合前驅(qū)體溶液1、2，形成均相前驅(qū)體溶液3；

7、(4)將前驅(qū)體溶液3注入電池殼體內(nèi)，在常溫下(20℃-35℃)靜置進行原位聚合，得到凝膠電解質(zhì)固態(tài)電池，所述電池以高壓、高容量無機材料，包括但并不限于富鋰錳基、鎳鈷錳基、鈷酸鋰中的任一種材料為正極，高容量鋰金屬、鋰基合金、硅碳中的任一種為負(fù)極。

8、優(yōu)選地，所述用量按質(zhì)量份計如下:

9、聚合單體:1-30份；

10、增塑劑:60-98.5份；

11、多功能添加劑:0.1-10份；

12、引發(fā)劑:0.1-3份。

13、優(yōu)選地，聚合單體具有酯基、碳碳雙鍵共軛結(jié)構(gòu)，包括但并不限于四丙烯酸異戊四酯(petea)、乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(etpta)。

14、優(yōu)選地，增塑劑為液態(tài)電解液，可耐受高壓，配方包括但并不限于:二氟草酸硼酸鋰(lidfob)添加氟代碳酸乙烯酯(fec)/甲基三氟乙基碳酸酯(femc)得到。

15、優(yōu)選地，多功能添加劑為lewis酸，具有與聚合單體形成配合物，提高聚合活性、提升電化學(xué)穩(wěn)定窗口、保護負(fù)極等作用，包括但并不限于三(五氟苯)硼烷(tpfpb)。

16、優(yōu)選地，引發(fā)劑為偶氮類熱引發(fā)劑，包括但并不限于偶氮二異丁腈(aibn)。

17、優(yōu)選地，所述電池殼體包括但并不限于商用xr2032組裝電池,電解質(zhì)前驅(qū)體溶液用量為10μl-100μl。

18、優(yōu)選地，所述電池殼體包括但并不限于軟包電池、方形電池、圓柱形電池、疊片式電池、卷繞式電池中的一種。

19、優(yōu)選地，常溫靜置溫度為20℃-35℃，靜置時間為3h-48h。

20、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

21、(1)本發(fā)明開發(fā)的lewis酸基多功能添加劑，具有降低耐高壓聚合單體的聚合溫度、提高體系電化學(xué)窗口、保護負(fù)極等作用；

22、(2)本發(fā)明在常溫下引發(fā)具有酯基、碳碳雙鍵共軛結(jié)構(gòu)的耐高壓單體聚合，對于常見加熱聚合條件下的問題，包括(i)受熱不均勻?qū)е虑膀?qū)體溶液流動，無法均勻分布；(ii)受熱不均勻?qū)е卤┚郏?iii)受熱時液相組分在電池內(nèi)部揮發(fā)；均具有極大的改善，同時還具有減少高溫副反應(yīng)、降低能耗等優(yōu)點。

23、(3)本發(fā)明制備的凝膠電解質(zhì)，可以匹配高壓、高容量正極、高容量負(fù)極，從而實現(xiàn)高比能固態(tài)電池。

技術(shù)特征：

1.一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，包括如下步驟:

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，所述用量按質(zhì)量份計如下:

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，聚合單體具有酯基、碳碳雙鍵共軛結(jié)構(gòu)，包括但并不限于四丙烯酸異戊四酯petea、乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯etpta。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，增塑劑為液態(tài)電解液，可耐受高壓，配方包括但并不限于:二氟草酸硼酸鋰lidfob添加氟代碳酸乙烯酯fec/甲基三氟乙基碳酸酯femc得到。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，多功能添加劑為lewis酸，具有與聚合單體形成配合物，包括但并不限于三(五氟苯)硼烷tpfpb。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，引發(fā)劑為偶氮類熱引發(fā)劑，包括但并不限于偶氮二異丁腈aibn。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，所述電池殼體包括但并不限于商用xr2032組裝電池,電解質(zhì)前驅(qū)體溶液3的用量為10μl-100μl。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，所述電池殼體包括但并不限于軟包電池、方形電池、圓柱形電池、疊片式電池、卷繞式電池中的一種。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，其特征在于，常溫靜置溫度為20℃-35℃，靜置時間為3h-48h。

技術(shù)總結(jié)
一種多功能添加劑誘導(dǎo)耐高壓單體常溫原位聚合制備凝膠電解質(zhì)的方法，屬于新能源材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，將耐高壓聚合單體、增塑劑、多功能添加劑混合，形成均相前驅(qū)體溶液1，同時將引發(fā)劑與增塑劑混合，同樣形成均相前驅(qū)體溶液2，將前驅(qū)體溶液1、2混合，得到均相前驅(qū)體溶液3，將前驅(qū)體溶液3注入高壓、高容量正極、高容量負(fù)極的電池殼體內(nèi)，在常溫下(20℃?35℃)靜置進行原位聚合，可得到高比能凝膠電解質(zhì)基固態(tài)電池。此凝膠電解質(zhì)，由本應(yīng)需要加熱聚合的單體，在微量多功能添加劑的作用下，常溫靜置形成；與普通加熱聚合形成相比，具有分布更均勻、副反應(yīng)較少、能耗降低、電化學(xué)穩(wěn)定窗口更高、與負(fù)極兼容性更好的優(yōu)點，形成高比能固態(tài)鋰電池。

技術(shù)研發(fā)人員：陳軍,趙棟磊,史楷文,嚴(yán)振華,盧勇,李熠鑫,張凱,謝偉偉,李海霞,張桐瑞,邵思遠
受保護的技術(shù)使用者：南開大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6