CN118712478A - 半固态电解质及其制备方法和电化学装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种半固态电解质及其制备方法和电化学装置。该半固态电解质包括单体、引发剂和液态电解质,单体为丙烯酸酯类衍生物;以及,该半固态电解质由单体、引发剂和液态电解质注入电芯中,且在电芯化成前进行热压聚合形成。本申请提供的方案,使用丙烯酸酯类衍生物作为能够聚合物电解质,具有更高的电导率和电化学稳定性,能够有效降低电池内阻,提升电池的安全和循环性能。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域,尤其涉及半固态电解质及其制备方法和电化学装置。
背景技术
由于锂离子电池拥有较长的使用寿命和较高的能量密度,其已广泛用于储能领域、动力汽车、笔记本电脑、手机、摄影机等消费电子产品。然而,近年来锂离子电池相关安全事故却频频发生,主要在于传统液态锂离子电池所使用的电解液大多为高易燃有机溶剂,容易引发起火、自燃和爆炸等事故。
半固态电解质介于固态电解质与液态电解质之间,相比固态电解质和液态电解质,能够兼具固态电解质的安全性和液态电解质的循环性能,是液态转向固态发展的重要一环。
相关技术中,通常使用聚合物电解质例如聚氧化乙烯作为半固态电解质,但是,聚氧化乙烯电解质存在电导率低、耐氧化电位性能差等问题,限制了聚合物电解质的应用。
发明内容
为解决或部分解决相关技术中存在的问题,本申请提供一种半固态电解质及其制备方法和电化学装置,使用丙烯酸酯类衍生物作为能够聚合物电解质,具有更高的电导率和电化学稳定性,能够有效降低电池内阻,提升电池的安全和循环性能。
本申请第一方面提供一种半固态电解质,包括单体、引发剂和液态电解质,所述单体为丙烯酸酯类衍生物;以及,
该半固态电解质由所述单体、所述引发剂和所述液态电解质注入电芯中,且在电芯化成前进行热压聚合形成。
作为一个可选的实施例,所述单体为结构式一的丙烯酸酯类衍生物:
结构式一
结构式一中,R1为取代或非取代的烷基、取代或非取代的苯环中的一种。
作为一个可选的实施例,所述单体为结构式二的丙烯酸酯类衍生物:
结构式二
结构式二中,R2选自C1-C10取代或非取代的烷基;取代基选自卤素、环烷基、芳基、酯基中的一种。
作为一个可选的实施例,所述单体选自如下丙烯酸酯类衍生物中的至少一种:
化合物1-1
化合物1-2
化合物1-3
化合物1-4
化合物1-5
化合物1-6
化合物1-7
化合物1-8。
作为一个可选的实施例,所述引发剂包含偶氮类引发剂、过氧化二酰类中的至少一种。
作为一个可选的实施例,所述引发剂占所述单体的质量百分数为0.01%~2%。
作为一个可选的实施例,所述单体占半固态电解质的质量百分数为0.01%~10%。
作为一个可选的实施例,所述液态电解质占半固态电解质的质量百分数为30%~80%。
作为一个可选的实施例,所述单体聚合形成的固态电解质占半固态电解质的质量百分数为20%~70%。
本申请第二方面提供一种半固态电解质的制备方法,包括:
将单体、引发剂和液态电解质注入电芯中,其中,所述单体为丙烯酸酯类衍生物;
在电芯化成前进行热压聚合形成半固态电解质。
作为一个可选的实施例,所述热压条件中,热压温度为40℃~120℃,热压压力为0.1MPa~1Mpa,热压时间为1h~12h。
作为一个可选的实施例,所述热压条件中,热压温度为50℃~80℃,热压压力为0.3Mpa~0.5Mpa,热压时间为6h~8h。
本申请第三方面提供一种电化学装置,包括前述所述的半固态电解质或前述所述的半固态电解质的制备方法制备得到的半固态电解质。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果:
本申请将单体、液态电解质、引发剂混合均匀注入电芯,热压后使单体在引发剂的引发下交联成具有网状结构的聚合物基体,并使得液态电解质被束缚在聚合物基体中。而且本申请采用的单体为丙烯酸酯类衍生物,相较于丙烯酸酯类化合物具有更高极性和不饱和性,聚合后具有聚丙烯酸类聚合物的优点,同时衍生的官能团能参与SEI膜的形成,使正负极表面更加稳定,因此本申请提供的半固态电解质具有更高的电导率和电化学稳定性,能够有效降低电池内阻,提升电池的安全和循环性能。另外,由于电芯化成的条件不足以让单体完全聚合,因此本申请在不改变电芯化成条件的情况下,即在电芯化成前进行热压,可通过调控热压条件例如温度、压力和时间,使单体聚合完全。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本申请。
具体实施方式
下面将更详细地描述本申请的实施方式。虽然下文显示了本申请的实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整,并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解,尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息,但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如,在不脱离本申请范围的情况下,第一信息也可以被称为第二信息,类似地,第二信息也可以被称为第一信息。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
半固态电解质介于固态电解质与液态电解质之间,相比固态电解质和液态电解质,能够兼具固态电解质的安全性和液态电解质的循环性能,是液态转向固态发展的重要一环。
相关技术中,通常使用聚合物电解质例如聚氧化乙烯作为半固态电解质,但是,聚氧化乙烯电解质存在电导率低、耐氧化电位性能差等问题,限制了聚合物电解质的应用。
针对上述问题,本申请实施例提供一种半固态电解质,使用丙烯酸酯类衍生物作为能够聚合物电解质,具有更高的电导率和电化学稳定性,能够有效降低电池内阻,提升电池的安全和循环性能。
本申请实施例提供一种半固态电解质,包括单体、引发剂和液态电解质,单体为丙烯酸酯类衍生物;以及,该半固态电解质由单体、引发剂和液态电解质注入电芯中,且在电芯化成前进行热压聚合形成。
本申请实施例将单体、液态电解质、引发剂混合均匀注入电芯,热压后使单体在引发剂的引发下交联成具有网状结构的聚合物基体,并使得液态电解质被束缚在聚合物基体中。而且本申请实施例采用的单体为丙烯酸酯类衍生物,相较于丙烯酸酯类化合物具有更高极性和不饱和性,聚合后具有聚丙烯酸类聚合物的优点,同时衍生的官能团能参与SEI膜的形成,使正负极表面更加稳定,因此本申请实施例提供的半固态电解质具有更高的电导率和电化学稳定性,能够有效降低电池内阻,提升电池的安全和循环性能。另外,由于电芯化成的条件不足以让单体完全聚合,因此本申请实施例在不改变电芯化成条件的情况下,即在电芯化成前进行热压,可通过调控热压条件例如温度、压力和时间,使单体聚合完全。
作为一个可选的实施例,单体为结构式一的丙烯酸酯类衍生物:
结构式一
结构式一中,R1为取代或非取代的烷基、取代或非取代的苯环中的一种。
本申请实施例的单体为丙烯酸酯类衍生物,衍生的官能团可以为苯环和烷基,并且可以根据实际需求选择不同的取代基,从而满足不同的应用场景。
作为一个优选的实施例,单体为结构式二的丙烯酸酯类衍生物:
结构式二
结构式二中,R2选自C1-C10取代或非取代的烷基;取代基选自卤素、环烷基、芳基、酯基中的一种。
本申请实施例中,不同的衍生官能团具有不同的作用,例如含卤素的丙烯酸酯类衍生物,使得SEI膜中可引入如LiF,可以将SEI膜中的有机物质黏合起来,从而更好地构建坚固稳定且均匀的SEI膜;含烷基的单体形成的聚合物聚合度高,可大大改善高温循环性能;含酯基的单体聚合后形成的聚合物聚合度高且热冲击性能强;含环烷基的单体形的聚合物柔性更强,环烷基提供了循环过程中硅负极的膨胀空间,更能适应循环过程中硅负极的体积变化;含芳基的单体聚合后形成的聚合物机械强度高。因此可以根据实际需求选择具有不同结构式的丙烯酸酯类衍生物,以满足不同应用场景。
作为一个优选的实施例,单体选自如下丙烯酸酯类衍生物中的至少一种:
化合物1-1
化合物1-2
化合物1-3
化合物1-4
化合物1-5
化合物1-6
化合物1-7
化合物1-8。
本申请实施例中,化合物1-2和化合物1-3属于饱和脂肪族单体,形成的聚合物聚合度高,可大大改善高温循环性能。
化合物1-4属于含卤素的丙烯酸酯类衍生物,使得SEI膜中可引入如LiF,可以将SEI膜中的有机物质黏合起来,从而更好地构建坚固稳定且均匀的SEI膜。
化合物1-5属于含环烷基的丙烯酸酯类衍生物,这种单体形的聚合物柔性更强,环烷基提供了循环过程中硅负极的膨胀空间,更能适应循环过程中硅负极的体积变化。
化合物1-7和化合物1-8属于含酯基的丙烯酸酯类衍生物,这种单体聚合后形成的聚合物聚合度高且热冲击性能强。
化合物1-1和化合物1-6属于含芳基的丙烯酸酯类衍生物,这种单体聚合后形成的聚合物机械强度高。
作为一个可选的实施例,引发剂包含偶氮类引发剂、过氧化二酰类中的至少一种。
优选为苯甲酰(下文称S1)和偶氮二异丁腈(下文称S2)。
作为一个可选的实施例,引发剂占单体的质量百分数为0.01%~2%。
本申请实施例中,引发剂占单体的质量百分数可以为0.01%、0.05%、1%、1.5%、2%或上述限定范围内的任一数值,本申请对此不加以限定。
优选地,引发剂占单体的质量百分数为0.05%~0.8%。
本申请实施例中,引发剂占单体的质量百分数可以为0.05%、0.1%、0.3%、0.4%、0.8%或上述限定范围内的任一数值,本申请对此不加以限定。
若引发剂占单体的质量百分数过低,则会导致以下问题:
1、聚合不足:引发剂含量过低会导致聚合反应速率缓慢,甚至难以引发有效的聚合,使得单体不能充分转化成聚合物,影响凝胶的形成。
2、网络结构疏松:引发剂不足导致的聚合不完全会使得形成的凝胶网络结构较为稀疏,这会直接影响电解质的机械强度和形状稳定性,使其在电池使用过程中更容易发生泄漏。
3、电导率下降:网络结构的疏松还意味着离子传输路径变长且不连续,从而增加锂离子迁移的阻力,降低电解质的电导率,影响电池的整体性能。
4、界面兼容性问题:不充分的交联可能使得凝胶电解质与电极材料之间的接触不良,影响电池的充放电效率和循环稳定性。
5、安全问题:虽然适量的引发剂有助于提高电解质的热稳定性和机械稳定性,但含量过低可能会使电解质在高温下更容易溶解或渗漏,增加安全隐患。
若引发剂占单体的质量百分数过高,则会导致以下问题:
1、过度交联:引发剂过多会加速并加剧聚合反应,导致凝胶电解质过度交联。这会使得电解质变得过于坚硬,失去必要的柔韧性,影响与电极的接触,从而降低电池的充放电效率和循环寿命。
2、离子电导率降低:过度交联的网络结构会严重限制锂离子的自由迁移,减小离子传输的有效路径,显著降低电解质的电导率,影响电池的功率特性和能量效率。
3、溶剂包容性差:高含量的引发剂可能导致凝胶电解质对溶剂的吸收和保持能力下降,影响电解质的溶胀行为,进一步干扰锂离子的传输和电池的电化学性能。
4、热稳定性变差:过度交联还可能降低凝胶电解质的热稳定性,使其在高温条件下更容易发生分解,释放气体,增加电池内部压力,影响电池的安全性。
5、加工困难:在实际制备过程中,引发剂含量过高会使材料变得难以加工,影响生产过程的可控性和产品的均一性。
作为一个可选的实施例,单体占半固态电解质的质量百分数为0.01%~10%。
本申请实施例中,单体占半固态电解质的质量百分数可以为0.01%、1%、2%、3%、4%、5%、7%、10%或上述限定范围内的任一数值,本申请对此不加以限定。
优选地,单体占半固态电解质的质量百分数为2%~8%。
本申请实施例中,单体占半固态电解质的质量百分数可以为2%、3%、4%、8%或上述限定范围内的任一数值,本申请对此不加以限定。若单体占半固态电解质的质量百分数过低,则会导致以下问题:
1、聚合网络不充分:单体含量过低会导致形成的聚合物网络稀疏,影响电解质的整体结构完整性和机械强度。
2、电导率降低:网络稀疏意味着自由体积增大,虽然这可能有利于离子的运动,但缺乏足够的聚合物链来维持离子通道的稳定性和连续性,反而可能导致离子电导率降低。
3、溶剂保留能力减弱:单体不足可能导致凝胶对电解质溶液的吸收和保持能力不佳,影响电解质的溶胀比率,减少与电极的有效接触面积,从而影响电池的电化学性能。
4、界面相互作用差:不充分的聚合物网络不利于与电极材料形成良好的界面接触,可能引起较高的阻抗,影响电池的充放电效率和循环稳定性。
5、加工与操作难度增加:在制造过程中,单体含量过低的电解质混合物可能粘度较低,不利于成型和处理,影响生产过程的稳定性和产品的均一性。
若单体占半固态电解质的质量百分数过高,则会导致以下问题:
1、过度溶胀与渗漏风险:单体浓度过高可导致形成的凝胶网络在吸收电解液后过度溶胀,可能引起渗漏问题,影响电池密封性和安全性。
2、网络结构致密化:过量的单体促使形成更为密集的聚合物网络,这虽然可能增强机械强度,但同时也可能过度限制锂离子的自由迁移路径,降低电解质的离子电导率。
3、反应不完全与副产物增多:高含量单体可能导致聚合反应不完全,残留未反应的单体或者产生更多的副产物,这些都可能对电池的电化学性能和长期稳定性产生负面影响。
4、热稳定性下降:过多的单体成分可能改变凝胶电解质的热力学特性,导致热稳定性降低,高温下易发生分解,影响电池的使用安全和寿命。
5、加工与储存问题:高单体含量的电解质在加工过程中可能粘度过大,不易操作,同时在储存期间也可能因单体的不稳定性增加额外的风险。
作为一个可选的实施例,液态电解质占半固态电解质的质量百分数为30%~80%。或者,单体聚合形成的固态电解质占半固态电解质的质量百分数为20%~70%。
本申请实施例中,液态电解质占半固态电解质的质量百分数可以为30%、40%、50%、80%或上述限定范围内的任一数值,本申请对此不加以限定。或者,单体聚合形成的固态电解质占半固态电解质的质量百分数可以为20%、40%、50%、70%或上述限定范围内的任一数值,本申请对此不加以限定。
若液态电解质占半固态电解质的质量百分数过低,则会导致以下问题:
1、电导率下降:液态电解质是主要的离子传输介质,其含量过低会减少电解质中的自由离子数量,进而降低电解质的离子电导率,影响电池的充放电效率和瞬时功率性能。
2、界面稳定性问题:适量的液态电解质有助于形成良好的电极/电解质界面接触,含量过低可能导致界面层形成不充分,增加界面电阻,影响电池的循环稳定性和存储性能。
3、加工与形变性问题:半固态电解质的设计初衷之一是结合液态与固态电解质的优点,液态成分过少可能使电解质趋向于硬质固体,加工难度增加,且在电池组装过程中的形变适应性降低。
4、热管理问题:液态电解质还参与电池内部的热传导过程,含量过低可能影响电池的热管理性能,导致局部过热,影响电池的安全性和寿命。
5、相分离风险:含量过低可能导致固液两相分离,影响电解质的均匀性和稳定性。
若液态电解质占半固态电解质的质量百分数过高,则会导致以下问题:
1、机械性能减弱:半固态电解质的优势之一在于提高电解质的机械强度和弹性,以抵抗电池在使用过程中的物理形变。液态成分过多会削弱这一优势,使电解质趋于液态,降低电池的抗冲击能力和使用寿命。
2、界面问题:过高的液态比例可能导致电极/电解质界面的浸润性问题,影响离子传输和电荷转移,从而降低电池的电化学性能和循环稳定性。
3、泄漏与安全风险:液态电解质含量过高,尤其是在温度变化或外力作用下,可能增加电解液的渗漏风险,这不仅会影响电池的密封性,还可能带来安全隐患,如短路或热失控。
4、热管理挑战:液态电解质热膨胀系数相对较大,其含量过高可能加剧电池在充放电过程中的温升,增加热管理难度,影响电池的温度均匀性和长期工作可靠性。
5、相分离与稳定性:在某些半固态体系中,液态与固态组分需要维持一定的相平衡。液态成分占比过高可能导致相分离,影响电解质的稳定性和一致性,从而降低电池的整体性能。
作为一个可选的实施例,液态电解质包括有机溶剂、电解质盐和添加剂。
电解质盐包括六氟磷酸锂LiPF6、二氟草酸硼酸锂LiODFB、双草酸硼酸锂LiBOB、二氟二草酸磷酸锂LiDFOP、四氟硼酸锂LiBF4、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂LiTFSI、双(氟磺酰)亚胺锂LiFSI、二氟磷酸锂LiPOF2的一种或几种。
有机溶剂包括碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸二乙酯DEC、碳酸甲乙酯EMC、丙酸乙酯EP、丙酸丙酯PP、氟代乙酸乙酯DFEA、氟代碳酸甲乙酯FEMC、氟代碳酸二甲酯FDMC、氟代碳酸丙烯酯FPC中的二种或二种以上,有机溶剂占液态电解质的质量百分比为20%~70%。
添加剂包括氟代碳酸乙烯酯FEC。
与前述应用功能实现方法实施例相对应,本申请还提供了一种半固态电解质的制备方法,包括:
步骤1:将单体、引发剂和液态电解质注入电芯中,其中,单体为丙烯酸酯类衍生物。
本申请实施例将单体、引发剂和液态电解质注入电芯中后,还可以进行真空抽气,控制电解质中溶剂的含量,提高电解质在高温下的安全性。
步骤2:在电芯化成前进行热压聚合形成半固态电解质。
由于电芯化成的条件不足以让单体完全聚合,因此本申请实施例在不改变电芯化成条件的情况下,即在电芯化成前进行热压,可通过调控热压条件例如温度、压力和时间,使单体聚合完全。
另外,热压后,待电芯冷却后对电芯进行化成。
作为一个可选的实施例,热压条件中,热压温度为40℃~120℃,热压压力为0.1MPa~1Mpa,热压时间为1h~12h。
本申请实施例的热压条件中,热压温度可以为40℃、80℃、100℃、120℃,热压压力可以为0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.8MPa、1Mpa,热压时间可以为1h、5h、10h、12h,或上述限定范围内的任一数值,本申请对此不加以限定。
本申请实施例通过控制热压温度、压力和时间在上述范围内,可以加速凝胶电解质中单体或预聚物的交联反应,确保形成稳定的三维网络结构。温度过低会减缓反应速率,而过高则可能引起副反应或破坏已经形成的结构。适当的压力和温度条件有助于控制溶剂的挥发速率,确保溶剂在完全挥发之前,凝胶网络已经充分形成,避免网络结构因溶剂快速流失而受损。在适宜的温度和压力条件下,各种组分(如聚合物、电解质盐、添加剂等)的相容性得到改善,有助于形成均匀混合的电解质,提高材料的整体性能。合理的温度和压力参数还能有效缩短凝胶电解质的固化时间,提高生产效率,同时保证产品质量,这对于大规模工业化生产尤为重要。
作为一个优选的实施例,热压条件中,热压温度为50℃~80℃,热压压力为0.3Mpa~0.5Mpa,热压时间为6h~8h。
本申请实施例的热压条件中,热压温度可以为50℃、60℃、80℃,热压压力可以为0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa,热压时间可以为6h、8h,或上述限定范围内的任一数值,本申请对此不加以限定。
本申请实施例通过进一步精确控制温度、压力和时间,可以调节聚合物链之间的相互作用力,从而得到理想的网络孔隙度和均匀性。这直接影响到电解质中锂离子的迁移路径和电导率。在特定压力下进行制备,可以有效排除凝胶内部的气泡,防止因气泡导致的性能不均一或内部短路问题,提高电解质的稳定性和安全性。
本申请实施例还提供一种电化学装置,包括前述的半固态电解质或前述的半固态电解质的制备方法制备得到的半固态电解质。
本申请实施例中,电化学装置还包括正极和负极,其中正极活性材料包含钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂,优选地,正极材料为钴酸锂或镍钴锰三元材料。负极活性材料包括石墨、硬碳、硅、硅氧化合物、硅碳化合物至少一种,优选地,负极活性材料为硅碳和人造石墨。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例阐述本申请,这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
实施例1
一、电池的制作
(1)正极片的制作:
将正极活性材料钴酸锂LCO、导电剂CNT、粘接剂PVDF按重量为97:1.5:1.5在NMP溶剂中充分搅拌混合,使其形成均匀的正极浆料。将此浆料涂覆于具有安全底涂的铝箔上,经过烘干、冷压、分条、制片焊接极耳贴胶等工序,制成满足卷绕要求的正极片。
(2)负极片的制作:
将负极活性材料硅颗粒(SiC含量10%)和石墨、导电剂SP、增稠剂CMC、粘接剂SBR按质量比10:86.3:1:1.2:1.5在适量的去离子水溶剂中充分搅拌混合,使其形成均匀的负极浆料。将此浆料涂覆于负极集流体Cu箔上,经烘干、冷压、分条、制片焊接极耳贴胶等工序,制成满足卷绕要求负极片。
(3)半固态电解质前驱体的制备:
a、在含水量<10ppm的氩气环境中的,手套箱中将EC/PC/EP/PP按1.5∶1.5∶4∶3比例混合,加入LiPF6,基于电解液总质量,加入10%的氟代碳酸乙烯酯FEC,制备得到液态电解质。
b、再加入单体和引发剂液态,得到半固态电解质前驱体,其中,单体为化合物1-1,引发剂为S1,单体占半固态电解质的质量百分数为3%,引发剂占单体的质量百分数为0.3%,液态电解质占半固态电解质的质量百分数为50%。
(4)锂离子电池的制作:
1、将上述正极片、隔膜以及负极片经卷绕,得到裸电芯。
2、将裸电芯放入已冲壳的铝塑膜中,完成顶侧封。
3、向电芯中注入半固态电解质前驱体、经热压聚合形成半固态电解质、其中,热压温度为80℃,热压压力为0.3MPa,热压时间为4h。
4、待电芯冷却后,进行化成、分容,检测等工序,完成锂离子电池的制作。
实施例2-40和对比例1-14
基本内容同实施例1,不同之处在于根据表1中半固态电解质的配方和热压参数制备得到各实施例和对比例的锂离子电池。
对比例15
基本内容同实施例29,不同之处在于在电芯化成后再进行热压聚合形成半固态电解质。
表1 半固态电解质的配方和热压参数
| 序号 | 单体 | 单体含量,% | 引发剂 | 引发剂含量,% | 液态电解质含量,% | 热压温度,℃ | 热压压力,Mpa | 热压时间,h | 电芯化成前/后 |
| 实施例1 | 化合物1-1 | 3 | S1 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例2 | 化合物1-2 | 3 | S1 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例3 | 化合物1-3 | 3 | S1 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例4 | 化合物1-4 | 3 | S1 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例5 | 化合物1-5 | 3 | S1 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例6 | 化合物1-6 | 3 | S1 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例7 | 化合物1-7 | 3 | S1 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例8 | 化合物1-8 | 3 | S1 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例9 | 化合物1-1 | 3 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例10 | 化合物1-2 | 3 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例11 | 化合物1-3 | 3 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例12 | 化合物1-4 | 3 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例13 | 化合物1-5 | 3 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例14 | 化合物1-6 | 3 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例15 | 化合物1-7 | 3 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例16 | 化合物1-8 | 3 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例17 | 化合物1-8 | 0.01 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例18 | 化合物1-8 | 2 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例19 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例20 | 化合物1-8 | 8 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例21 | 化合物1-8 | 10 | S2 | 0.3 | 50 | 80 | 0.3 | 4 | 前 |
| 实施例22 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.01 | 50 | 80 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例23 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.05 | 50 | 80 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例24 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 80 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例25 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.8 | 50 | 80 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例26 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 2 | 50 | 80 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例27 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 40 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例28 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 50 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例29 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例30 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 100 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例31 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 120 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例32 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.1 | 6 | 前 |
| 实施例33 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.5 | 6 | 前 |
| 实施例34 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 1 | 6 | 前 |
| 实施例35 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 1 | 前 |
| 实施例36 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 8 | 前 |
| 实施例37 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 10 | 前 |
| 实施例38 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 12 | 前 |
| 实施例39 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 30 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 实施例40 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.8 | 80 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例1 | \ | \ | \ | \ | 100 | \ | \ | \ | 前 |
| 对比例2 | 化合物1-8 | 4 | \ | \ | 50 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例3 | 化合物1-8 | 12 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例4 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 2.5 | 50 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例5 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 25 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例6 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 130 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例7 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | \ | 6 | 前 |
| 对比例8 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 1.5 | 6 | 前 |
| 对比例9 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 0.8 | 前 |
| 对比例10 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 15 | 前 |
| 对比例11 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 10 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例12 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 90 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例13 | 丙烯酸甲酯 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例14 | TPGDA | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 6 | 前 |
| 对比例15 | 化合物1-8 | 4 | S2 | 0.4 | 50 | 60 | 0.3 | 6 | 后 |
注:单体含量指单体占半固态电解质的质量百分数,引发剂含量指引发剂占单体的质量百分数,液态电解质含量指液态电解质占半固态电解质的质量百分数;引发剂S1为苯甲酰,引发剂S2为偶氮二异丁腈,TPGDA为二缩三丙二醇二丙烯酸酯。
二、锂离子电池性能测试
将上述各实施例和各对比例所制作的锂离子电池,按照下述方法分别进行对应的性能测试,计算获得表2中的测试数据。
(一)锂离子电池性能测试
45℃ 循环测试:
在45℃环境下静置4h,以1C恒流充电至4.5V,截止电流0.05C,静置10min,测试初始内阻R0、满电厚度及充电容量,0.5C放电至3.0V,记录放电容量C0作为初始,重复600周,每隔100周测试满电内阻和满电厚度。最终得循环200周的容量C200、内阻R200、厚度D200,则首次库伦效率=C0放电/C0充电,容量保持率=C200/C0,内阻增长率=R200/R0-1,厚度变化率=D200/D0-1。
(二)热冲击性能:
在25℃环境条件下,以给定电流0.2C放电至3.0V;搁置5min;以充电电流0.2C充电至4.5V,当电芯电压达到4.5V时,改为4.5V恒压充电,直到充电电流小于或等于给定截止电流0.05C;搁置1h后将电芯放入烘箱,烘箱温度以5±2℃/min速度上升至130±2℃,并保持30min后停止,判断标准为电芯不起火不爆炸即为测试通过,每个实施例和对比例测试10次,观察10次的通过率。
表2 性能测试结果
| 序号 | 首次库伦效率 | 45℃循环容量保持率 | 内阻增长率 | 厚度变化率 | 130℃30min热冲击 |
| 实施例1 | 98.91% | 76.93% | 48.42% | 15.42% | 5pcs/10pc |
| 实施例2 | 98.92% | 77.51% | 48.92% | 15.69% | 3pcs/10pcs |
| 实施例3 | 98.91% | 76.77% | 48.07% | 15.35% | 3pcs/10pcs |
| 实施例4 | 98.87% | 77.55% | 48.59% | 15.44% | 2pcs/10pc |
| 实施例5 | 98.83% | 76.61% | 48.51% | 14.68% | 2pcs/10pc |
| 实施例6 | 98.03% | 76.83% | 48.30% | 14.97% | 4pcs/10pc |
| 实施例7 | 98.92% | 77.69% | 46.27% | 15.45% | 5pcs/10pcs |
| 实施例8 | 98.93% | 78.74% | 46.18% | 16.30% | 8pcs/10pcs |
| 实施例9 | 98.90% | 74.53% | 43.15% | 14.58% | 5pcs/10pcs |
| 实施例10 | 98.92% | 75.59% | 47.88% | 14.27% | 6pcs/10pcs |
| 实施例11 | 98.92% | 75.41% | 45.52% | 15.05% | 3pcs/10pcs |
| 实施例12 | 98.92% | 75.58% | 48.32% | 15.58% | 5pcs/10pcs |
| 实施例13 | 98.93% | 78.61% | 43.51% | 12.68% | 5pcs/10pc |
| 实施例14 | 98.89% | 76.22% | 43.67% | 15.87% | 5pcs/10pcs |
| 实施例15 | 98.89% | 75.10% | 43.45% | 15.00% | 7pcs/10pcs |
| 实施例16 | 98.93% | 78.92% | 43.48% | 14.88% | 8pcs/10pcs |
| 实施例17 | 98.33% | 80.22% | 44.77% | 13.35% | 1pcs/10pcs |
| 实施例18 | 98.92% | 80.03% | 43.47% | 13.70% | 8pcs/10pcs |
| 实施例19 | 98.88% | 80.78% | 42.41% | 13.85% | 10pcs/10pcs |
| 实施例20 | 98.22% | 85.53% | 39.04% | 13.42% | 8pcs/10pcs |
| 实施例21 | 98.86% | 80.96% | 49.30% | 13.74% | 8pcs/10pcs |
| 实施例22 | 92.83% | 74.66% | 56.73% | 15.18% | 6pcs/10pcs |
| 实施例23 | 98.67% | 79.46% | 48.94% | 13.93% | 8pcs/10pcs |
| 实施例24 | 98.91% | 80.29% | 43.59% | 13.54% | 10pcs/10pcs |
| 实施例25 | 98.92% | 80.12% | 48.66% | 13.63% | 9pcs/10pcs |
| 实施例26 | 98.90% | 80.00% | 48.64% | 13.63% | 8pcs/10pcs |
| 实施例27 | 98.89% | 80.13% | 41.53% | 13.69% | 6pcs/10pcs |
| 实施例28 | 98.94% | 80.45% | 41.68% | 13.82% | 8pcs/10pcs |
| 实施例29 | 98.94% | 80.67% | 40.96% | 12.97% | 10pcs/10pcs |
| 实施例30 | 98.97% | 80.72% | 41.49% | 14.90% | 9pcs/10pcs |
| 实施例31 | 98.88% | 80.9% | 43.14% | 13.05% | 7pcs/10pcs |
| 实施例32 | 98.90% | 80.48% | 48.75% | 13.62% | 9pcs/10pcs |
| 实施例33 | 98.89% | 82.28% | 42.05% | 13.38% | 9pcs/10pcs |
| 实施例34 | 98.90% | 82.7% | 48.78% | 13.44% | 7pcs/10pcs |
| 实施例35 | 98.61% | 80.85% | 44.38% | 13.08% | 5pcs/10pcs |
| 实施例36 | 98.60% | 81.7% | 45.69% | 13.12% | 9pcs/10pcs |
| 实施例37 | 98.57% | 80.89% | 46.28% | 13.88% | 7pcs/10pcs |
| 实施例38 | 98.86% | 80.3% | 43.43% | 13.77% | 8pcs/10pcs |
| 实施例39 | 98.59% | 85.38% | 42.53% | 17.67% | 4pcs/10pcs |
| 实施例40 | 98.35% | 80.4% | 45.04% | 17.89% | 6pcs/10pcs |
| 对比例1 | 87.23% | 80.41% | 54.17% | 24.02% | 0pcs/10pcs |
| 对比例2 | 89.31% | 51.43% | 57.24% | 26.53% | 0pcs/10pcs |
| 对比例3 | 87.09% | 56.3% | 59.48% | 23.85% | 5pcs/10pcs |
| 对比例4 | 89.66% | 54.25% | 50.25% | 20.37% | 6pcs/10pcs |
| 对比例5 | 89.56% | 67.35% | 58.12% | 21.44% | 1pcs/10pcs |
| 对比例6 | 88.40% | 66.56% | 55.47% | 20.93% | 0pcs/10pcs |
| 对比例7 | 86.85% | 65.71% | 51.99% | 21.95% | 1pcs/10pcs |
| 对比例8 | 88.09% | 65.00% | 55.19% | 21.44% | 0pcs/10pcs |
| 对比例9 | 89.47% | 63.21% | 57.50% | 21.67% | 3pcs/10pcs |
| 对比例10 | 87.72% | 64.23% | 53.08% | 21.67% | 0pcs/10pcs |
| 对比例11 | 89.67% | 62.4% | 52.65% | 21.59% | 5pcs/10pcs |
| 对比例12 | 89.66% | 68.12% | 50.79% | 20.61% | 1pcs/10pcs |
| 对比例13 | 89.57% | 70.01% | 53.65% | 22.12% | 2pcs/10pcs |
| 对比例14 | 89.47% | 68.54% | 54.74% | 21.82% | 8pcs/10pcs |
| 对比例15 | 98.0% | 73.12% | 47.18% | 13.77% | 7pcs/10pcs |
结合表1和表2的数据,通过比较实施例1~8与实施例9~16发现,相较于引发剂S1(苯甲酰),采用引发剂S2(偶氮二异丁腈)制备的半固态电解质,电芯的电导率和高温循环性能可得到更好提升,且能更有效降低电池内阻,提升电池的安全性能。
通过比较实施例16~21,以及对比例1和3发现,随着单体含量的增加,电芯的安全和循环性能先升高后降低,当单体含量为2%~8%时,可兼顾高温循环性能和安全性能。
通过比较实施例22~26,以及对比例2和4发现,随着引发剂占单体含量的增加,电芯的安全和循环性能先升高后降低,当引发剂占单体含量为0.05%~0.8%时,可兼顾高温循环性能和安全性能。
通过比较实施例24、27~31,以及对比例5和6发现,随着热压温度的升高,电芯的安全和循环性能先升高后降低,当热压温度为50℃~80℃时,可兼顾高温循环性能和安全性能。
通过比较实施例29、32~34,以及对比例7和8发现,随着热压压力的升高,电芯的安全和循环性能先升高后降低,当热压压力为0.3MPa~0.5MPa时,可兼顾高温循环性能和安全性能。
通过比较实施例29、35~38,以及对比例9和10发现,随着热压时间的延长,电芯的安全和循环性能先升高后降低,当热压时间为6h~8h时,可兼顾高温循环性能和安全性能。
通过比较实施例29、39~40,以及对比例11和12发现,随着液态电解质含量的增大,电芯的安全和循环性能先升高后降低,当液态电解质含量为30%~80%时,可兼顾高温循环性能和安全性能。
通过比较实施例29,以及对比例13和14发现,采用本申请实施例提供的丙烯酸酯类衍生物单体制备半固态电解质,相较于丙烯酸甲酯和TPGDA(二缩三丙二醇二丙烯酸酯),电芯的高温循环和安全性能均得到提升。
通过比较实施例29和对比例15发现,在电芯化成前,向电芯中注入半固态电解质前驱体、经热压聚合形成半固态电解质,能大大提升电芯的高温循环和安全性能。
通过优化聚合物单体、引发剂和液态电解质含量发现,当单体占半固态电解质的质量百分数为4%,引发剂占单体的质量百分数为0.4%,液态电解质占半固态电解质的质量百分数为50%时,电池的高温循环性能和安全性能最佳。
通过优化热压工艺发现,当热压温度为60℃、热压压力为0.3MPa、热压时间为6h时,电池的高温循环性能和安全性能最佳。
尽管已经参照优选实施方案描述了本申请,但本领域那些技术人员将理解的是可以进行各种变化并且等价物可以代替其的要素,只要不偏离本申请的范围。另外,可以进行许多改进以使特定的情形或材料适应于本申请的教导,只要不偏离本申请的实质范围。因此,本申请不意在限于作为所构思的实施本申请的最好方式而披露的特定实施方案,而是本申请将包括落入附属的权利要求范围内的所有实施方案。
本申请中披露的所有范围包含端点,并且端点可以彼此组合。
以上已经描述了本申请的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进,或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种半固态电解质,其特征在于,包括单体、引发剂和液态电解质,所述单体为丙烯酸酯类衍生物;
该半固态电解质由所述单体、所述引发剂和所述液态电解质注入电芯中,且在电芯化成前进行热压聚合形成。
2.根据权利要求1所述的半固态电解质,其特征在于,所述单体为结构式一的丙烯酸酯类衍生物:
结构式一
结构式一中,R1为取代或非取代的烷基、取代或非取代的苯环中的一种。
3.根据权利要求2所述的半固态电解质,其特征在于,所述单体为结构式二的丙烯酸酯类衍生物:
结构式二
结构式二中,R2选自C1-C10取代或非取代的烷基;取代基选自卤素、环烷基、芳基、酯基中的一种。
4.根据权利要求2或3所述的半固态电解质,其特征在于,所述单体选自如下丙烯酸酯类衍生物中的至少一种:
化合物1-1
化合物1-2
化合物1-3
化合物1-4
化合物1-5
化合物1-6
化合物1-7
化合物1-8。
5.根据权利要求1所述的半固态电解质,其特征在于,所述引发剂包含偶氮类引发剂、过氧化二酰类中的至少一种;和/或,所述引发剂占所述单体的质量百分数为0.01%~2%;和/或,所述单体占半固态电解质的质量百分数为0.01%~10%。
6.根据权利要求1所述的半固态电解质,其特征在于,所述液态电解质占半固态电解质的质量百分数为30%~80%;和/或,所述单体聚合形成的固态电解质占半固态电解质的质量百分数为20%~70%。
7.一种半固态电解质的制备方法,其特征在于,包括:
将单体、引发剂和液态电解质注入电芯中,其中,所述单体为丙烯酸酯类衍生物;
在电芯化成前进行热压聚合形成半固态电解质。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述热压条件中,热压温度为40℃~120℃,热压压力为0.1MPa~1Mpa,热压时间为1h~12h。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述热压条件中,热压温度为50℃~80℃,热压压力为0.3Mpa~0.5Mpa,热压时间为6h~8h。
10.一种电化学装置,其特征在于,包括如权利要求1~6任一项所述的半固态电解质或权利要求7~9任一项所述的半固态电解质的制备方法制备得到的半固态电解质。
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2024
- 2024-08-28 CN CN202411186884.4A patent/CN118712478A/zh active Pending
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