固態(tài)電解質(zhì)、其制備方法和其應(yīng)用以及應(yīng)用固態(tài)電解質(zhì)的鋰電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種固態(tài)電解質(zhì)及其制備方法，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)包括30～97％的聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物、3％～70％的鋰鹽和0～20％的表面活性劑，將三者混合均勻后進(jìn)行制備；本發(fā)明針對(duì)導(dǎo)電性能，機(jī)械性能全方位進(jìn)行改進(jìn)，在較大的溫度范圍內(nèi)有很高的電導(dǎo)率，其提供的固態(tài)電解質(zhì)，能夠替代原有鋰電池中的隔離膜和液態(tài)電解質(zhì)或原有凝膠類電解質(zhì)。
【專利說明】固態(tài)電解質(zhì)、其制備方法和其應(yīng)用以及應(yīng)用固態(tài)電解質(zhì)的鋰電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)的制備方法、固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用以及應(yīng)用固態(tài)電解質(zhì)的鋰電池。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、開路電壓高、無記憶效應(yīng)、安全無污染等特點(diǎn)，已得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前已商品化的鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包括:正極和負(fù)極以及含有鋰鹽的液態(tài)電解質(zhì)和隔離正負(fù)極的離子交換膜組成。眾所周知，大量的有機(jī)液態(tài)電解液的存在，不僅增加了電池漏液的風(fēng)險(xiǎn)，而且將加速電池在濫用條件下熱失控的速率，進(jìn)而引起電池起火或爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患。為此，采用固態(tài)電解質(zhì)作為鋰離子電池的電解質(zhì)是提高電池安全性的重要方法。
[0004]鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)研發(fā)大概有20年左右，分為兩種類型，一種為有機(jī)聚合物電解質(zhì)，另一種為非有機(jī)電解質(zhì)。 [0005]非有機(jī)電解質(zhì)具有電導(dǎo)率較高的特性，但是合成難度大，加工復(fù)雜，成本太高，國(guó)外的相關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)此作了很多研究,例如日本Toyota、University of Tokyo、美國(guó)能源部下屬國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Oak Ridge National Laboratory,具有代表性的專利US8557445B2。
[0006]有機(jī)聚合物電解質(zhì)的價(jià)格便宜，加工也相對(duì)容易，但是幾乎全部聚合物固態(tài)電解質(zhì)均是基于聚環(huán)氧乙烷(PEO)。由于聚環(huán)氧乙烷(PEO)可以與鹽進(jìn)行絡(luò)合，通過分子鏈的運(yùn)動(dòng)使離子移動(dòng)，從而導(dǎo)電。但是凡是通過聚環(huán)氧乙烷(PEO)導(dǎo)電的固態(tài)電解質(zhì)均需要加熱到至少50攝氏度以上才可以有足夠的導(dǎo)電能力令電池正常工作。因而很多科研機(jī)構(gòu)和公司將研究方向轉(zhuǎn)到凝膠型電解質(zhì)或制作高溫電池。凝膠型電解質(zhì)的電導(dǎo)率很高，但是缺乏機(jī)械強(qiáng)度，近似液態(tài)，且加工方式比較復(fù)雜。
[0007]固態(tài)聚合物電解質(zhì)，如通過鋰鹽和線性聚醚例如聚環(huán)氧乙烷和聚環(huán)氧丙烷之間的絡(luò)合作用形成的薄膜，雖然具有某些顯著特點(diǎn)，如電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性高的特征以及易于制成薄膜等的特征，但是由于聚合物與鋰鹽形成的固態(tài)聚合物電解質(zhì)在室溫時(shí)具有較高的結(jié)晶相，所形成的電解質(zhì)只能在高溫下才能使用，而且，在室溫下導(dǎo)電性很差，且其材質(zhì)本身不具有難燃阻燃等安全性能，限制了其應(yīng)用范圍。例如US20130063092A1、CN103026542A公開了一種具有固體聚合物電解質(zhì)的高溫鋰電池，其技術(shù)方案是針對(duì)以往的固態(tài)電解質(zhì)在高溫下機(jī)械性能下降提出的，對(duì)導(dǎo)電性能并無實(shí)質(zhì)改進(jìn)。具體來說，它介紹了共聚高分子
聚合物，其分子結(jié)構(gòu)為
【權(quán)利要求】
1.一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)包括30~97%的聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物、3%~70%的鋰鹽和O~20%的表面活性劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述固態(tài)電解質(zhì)在室溫下具有大于5X 10_5S/Cm的電導(dǎo)率，抗拉強(qiáng)度大于40MPa，阻燃等級(jí)為UL94標(biāo)準(zhǔn)中的V-O級(jí)別。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物為聚苯撐氧、聚苯撐硫和苯撐硅氧烷類非極性弱極性高分子聚合物的一種或多種的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述鋰鹽為L(zhǎng)iAsF6、LiBF4,LiBH4' LiClO4' LiN (SO2CF3) 2、LiNH2' Li2NH' Li2CO3' Li3PO4' C6H5COOLi' LiCl、LiBr、LiF 的一種或多種混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述表面活性劑為一種或多種非離子型表面活性劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述非離子型表面活性劑為烷基醇酰胺型表面活性劑和聚氧乙烯型表面活性劑的一種或任意比例的混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述烷基醇酰胺型表面活性劑為聚丙烯酰胺或脂肪酸酰胺；所述聚氧乙烯型表面活性劑為烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪酸甲酯乙氧基化物。
11.一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于按照如下操作:將30~97%的聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物、3%~70%的鋰鹽和O~20%的表面活性劑混合均勻后進(jìn)行制備。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，按照如下操作:將聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物在不超過其熔點(diǎn)的烘干機(jī)中干燥除去水分，然后將干燥后的聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物與鋰鹽和表面活性劑充分混合制得混合物；將混合物加入擠出機(jī)中，通過擠出機(jī)的剪切和加熱，將混合物形成熔融狀態(tài)；隨后將熔融態(tài)混合物擠成薄膜，冷卻成型。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述薄膜的厚度為5~200微米。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物為聚苯撐氧、聚苯撐硫和苯撐硅氧烷類非極性弱極性高分子聚合物的一種或多種的混合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述聚苯撐類高分子有機(jī)聚合物為
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述鋰鹽為L(zhǎng)iAsF6' LiBF4' LiBH4' LiClO4' LiN(SO2CF3)2' LiNH2, Li2NH, Li2CO3' Li3PO4' C6H5COOLi' LiCl、LiBr, LiF的一種或多種混合物。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述表面活性劑為一種或多種非離子型表面活性劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述非離子型表面活性劑為烷基醇酰胺型表面活性劑和聚氧乙烯型表面活性劑的一種或任意比例的混合物。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述烷基醇酰胺型表面活性劑為聚丙烯酰胺或脂肪酸酰胺；所述聚氧乙烯型表面活性劑為烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪酸甲酯乙氧基化物。
22.上述權(quán)利要求1~10之一所述的一種固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用，其特征在于:所述固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用于離子導(dǎo)體或鋰離子電池領(lǐng)域。
23.—種應(yīng)用上述權(quán)利要求1~10之一所述一種固態(tài)電解質(zhì)的鋰電池,其特征在于:包括由正電極、負(fù)電極和放置在正電極和負(fù)電極之間的所述固態(tài)電解質(zhì)。
【文檔編號(hào)】H01M10/0565GK104009253SQ201410172773
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】晁流, 孫科強(qiáng), 朱以科, 尹訓(xùn)忠, 肖劍, 晁鶴鳴 申請(qǐng)人:天津新動(dòng)源科技有限公司