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CN111326789A - 一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质、固态锂电池及制备方法 - Google Patents

一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质、固态锂电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质、固态锂电池及制备方法，采用原位聚合制备半互穿网络阻燃固态电解质，主要包含交联剂、共聚单体、高分子化合物、锂盐、无机化合物及其引发剂，加入了氧化物电解质的固态电解质能够进一步提高电解质的电导率及电池的安全性能；相应的固态电池采用叠片工艺制备，半互穿网络阻燃固态电解质涂敷在正极表面，制备的固态锂电池具有较高的安全性，能够满足市场对锂电池安全性能的要求，工艺简便，有利于大规模的生产与运用。

Description

一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质、固态锂电池及制备 方法
技术领域
本发明属于固态电池技术领域，尤其是涉及一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质、固态锂电池及制备方法。
背景技术
电解液是锂离子电池的重要组成部分，现在所使用的电解液都为有机化合物，在极端使用情况下中会出现漏液、燃烧等问题，并且当前主流锂离子电池在特定体积内能够储存的能量有限。采用固态电解质替代传统锂离子电池中的有机电解液可以很好地缓解电池的安全问题，并且可以突破能量密度的“玻璃天花板”。
目前所使用的固态电解质主要由聚合物固态电解质和无机陶瓷固态电解质，聚合物固态电解质具有良好的柔性、稳定的界面和易操作性，但其锂离子电池的电导率较低；无机固态电解质具有较高的离子电导率和阻燃性，但其界面接触较差，将聚合物固态电解质和无机固态电解质联合使用可以很好地解决固态电解质的缺点。
如现有专利中CN201710847995，CN201811397878和CN201811345429主要针对电解质阻燃方向进行展开，目的是提高电池在使用过程中的安全性能，针对锂离子电池的安全性，采用的大量的磷酸酯类化合物，磷酸酯类化合物对石墨负极有一定嵌入，破坏石墨的整体结构，并且对高镍正极和锂片的循环稳定性较差，不能很好的兼顾锂离子电池的高安全性及高循环性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质、固态锂电池及制备方法，针对目前高能量密度电池安全性能差的问题，采用原位聚合方法制备网络结构聚合物，低分子量的高分子穿梭在网络结构中，形成半互穿聚合物网络阻燃固态电解质；，采用此方法制备固态锂电池生产工艺简单，并且固态电解质中加入氧化物电解质，能够进一步提高电解质的电导率及电池的安全性能。
本发明采用的技术方案是：一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，所述的半互穿网络阻燃固态锂离子电解质为复合电解质范畴，包括交联剂、共聚单体、高分子化合物、锂盐、无机化合物和引发剂；
交联剂的质量百分比为0.3-5％，共聚单体的质量百分比为10-40％，高分子化合物的质量百分比为5-30％，锂盐的质量百分比为20-50％，无机化合物的质量百分比为10-50％，引发剂的质量百分比占交联剂和共聚单体质量的0.15-3％。
优选地，交联剂为多双键官能团单体；
优选地，交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、三羟基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚醚多丙烯酸酯中的一种或多种。
优选地，共聚单体为3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基-三(甲基乙基酮肟)硅烷、全氟烷基乙基丙烯酸酯、七氟丁基甲基丙烯酸酯、六氟丁基甲基丙烯酸酯、八氟戊基甲基丙烯酸酯、甲基丙稀酸六氟异丙酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯中的一种或多种。
优选地，高分子化合物为低分子量的聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸乙烯酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种；优选的高分子化合物分子量选择在500-10000之间。
优选地，锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂中的一种或多种；
优选地，无机化合物为LATP、LAGP、LLZO、LPS、LGPS中的一种或多种；
优选地，引发剂为过氧化二苯甲酰、过氧化二月桂酰、过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、偶氮二异丁腈中的一种。
制备半互穿网络阻燃固态锂离子电解质的方法，采用共混及原位聚合方法制备。
一种包括半互穿网络阻燃固态锂离子电解质的固态锂电池。
优选地，正极活性材料为NCA、NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、CrxOy、LiFePO4、富锂锰基和硫中的一种；
优选地，负极为石墨、硅、锂金属、锂铝合金、锂硅合金和锂硼合金中的一种或多种；
制备固态锂电池的方法，采用叠片工艺制备，半互穿网络阻燃固态电解质涂敷在正极表面；
具体为将负极、涂敷固态电解质的正极重复叠加的叠片工艺；
优选地，半互穿网络阻燃固态电解质通过滚涂方法涂敷在正极表面，涂覆面积大于正极涂覆面积；
优选地，的半互穿网络阻燃固态电解质电池涂覆正极表面采用60-80度温度引发聚合；
优选地，固态电池组装完成后在60度烘箱内静止24h。
本发明具有的优点和积极效果是：半互穿网络结构具有支链和低分子量的高分子化合能够提高固态电解质的固态电解质的电导率，并且可以增加固态电解质的柔顺性；半互穿网络阻燃固态电解质能够自发成膜，机械强度比较好，选用的共聚单体和高分子化合物具有一定的阻燃型，能够突破制备的固态锂电池具有较高的安全性，并且选用的共聚单体能够提高电池的循环性能；
半互穿结构的固态电解质制备简单，可以在现有生产设备上进行生产。
附图说明
图1采用半互穿网络阻燃固态电解质的制备的软包电池的0.2C倍率下的循环曲线。
具体实施方式
本发明提供一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，包括交联剂、共聚单体、高分子化合物、锂盐、无机化合物和引发剂。交联剂的质量百分比为0.3-5％，共聚单体的质量百分比为10-40％，高分子化合物的质量百分比为5-30％，锂盐的质量百分比为20-50％，无机化合物的质量百分比为10-50％，引发剂的质量百分比占交联剂和共聚单体质量的0.15-3％。
其中，共聚单体为3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基-三(甲基乙基酮肟)硅烷、全氟烷基乙基丙烯酸酯、七氟丁基甲基丙烯酸酯、六氟丁基甲基丙烯酸酯、八氟戊基甲基丙烯酸酯、甲基丙稀酸六氟异丙酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯中的一种或多种。
其中，交联剂为多双键官能团单体，具体为聚乙二醇二丙烯酸酯、三羟基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚醚多丙烯酸酯中的一种或多种。
高分子化合物为低分子量的聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸乙烯酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种，优选的高分子化合物分子量选择在500-10000之间。
锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂中的一种或多种；
无机化合物为LATP、LAGP、LLZO、LPS、LGPS中的一种或多种；
引发剂为过氧化二苯甲酰、过氧化二月桂酰、过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、偶氮二异丁腈中的一种。
制备半互穿网络阻燃固态锂离子电解质的方法，将上述各个原料成分按比例共混，再通过原位聚合方法制备得到半互穿网络阻燃固态锂离子电解质。
一种包括半互穿网络阻燃固态锂离子电解质的固态锂电池，正极活性材料采用NCA、NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、CrxOy、LiFePO4、富锂锰基和硫中的一种；负极为石墨、硅、锂金属、锂铝合金、锂硅合金和锂硼合金中的一种或多种；其中，固体电解质膜为半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，具体为包括半互穿网络阻燃固态锂离子电解质的复合膜，或者为半互穿网络阻燃固态锂离子电解质直接涂覆在正极表面形成的固体电解质膜。
固态锂电池的制备方法：将半互穿网络阻燃固态电解质通过滚涂方法涂敷在正极表面，涂覆面积大于正极涂覆面积；并采用60-80℃温度引发聚合；然后负极、正极采用叠片工艺组装固态电池，固态电池组装完成后在60℃烘箱内加压静止24h。
半互穿网络结构的固态电解质可以提高固态电解质的电导率，并且可以提高固态电解质的柔顺性，半互穿结构的固态电解质制备过程简单，无需更改设备，可以在现有生产设备上进行生产。另外利用原位聚合制备半互穿网络阻燃固态电解质和相应的固态锂电池，采用此方法制备的半互穿网络阻燃固态电解质具有较高的离子电导率，并且阻燃性较好，制备的固态锂电池具有较高的安全性，并且生产工艺易于实现。
下面通过具体实施例对本方案进一步详细说明，实施例只为说明本发明的技术构思和特点，并不是对本发明的技术限制，其目的在于让本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，凡是根据本发明的精神实质所做的等效变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
实施例1半互穿网络阻燃固态电解质的制备
称取1gLLZTO、0.2g聚碳酸丙烯酯、0.75gLiPF6、0.05g季戊四醇四丙烯酸酯和0.0016g偶氮二异丁腈加入到0.3g的3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和全氟烷基乙基丙烯酸酯混合溶液中，搅拌4h，然后涂覆在聚四氟乙烯膜上，60度加热24h，制备得到半互穿网络阻燃固态电解质1，然后并采用交流阻抗测半互穿网络阻燃固态电解质1阻抗，根据电导率公式计算半互穿网络阻燃固态电解质的离子电导率。采用半互穿网络阻燃固态电解质时间10秒，观察熄灭时间。
实施例2半互穿网络阻燃固态电解质的制备
称取1gLLZTO、0.2g聚偏氟乙烯、0.75gLiPF6、0.05g季戊四醇四丙烯酸酯和0.0016g偶氮二异丁腈加入到0.3g的3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和丙烯酸异辛酯混合溶液中，搅拌4h，然后涂覆在聚四氟乙烯膜上，60度加热24h，制备得到半互穿网络阻燃固态电解质2，然后并采用交流阻抗测半互穿网络阻燃固态电解质2阻抗，根据电导率公式计算半互穿网络阻燃固态电解质的离子电导率。采用半互穿网络阻燃固态电解质时间10秒，观察熄灭时间。
实施例3半互穿网络阻燃固态电解质的制备
称取0.8gLLZTO、0.2g聚碳酸乙烯酯、0.75gLiPF6、0.05g季戊四醇四丙烯酸酯和0.0016g偶氮二异丁腈加入到0.3g的3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和全氟烷基乙基丙烯酸酯混合溶液中，搅拌4h，然后涂覆在聚四氟乙烯膜上，60度加热24h，制备得到半互穿网络阻燃固态电解质3，然后并采用交流阻抗测半互穿网络阻燃固态电解质3阻抗，根据电导率公式计算半互穿网络阻燃固态电解质的离子电导率。采用半互穿网络阻燃固态电解质时间10秒，观察熄灭时间。
正极的制备：在PVDF的NMP溶液中加入1.5％双三氟甲磺酰亚胺锂、3％的聚丙烯腈和聚碳酸丙烯酯混合物，然后加入碳纳米管和石墨烯，混合均匀，然后加入正极活性物质NCM811的质量浓度为94％，将以上各种材料搅拌2-8h，使其充分混合制备浆料。将所述浆料涂覆至12um后的铝箔两侧，于85℃下鼓风干燥20h，然后通过冲片工艺制备正极片。
以上述正极片为正极，锂片为负极，将实施3中的半互穿网络阻燃固态电解质涂覆在正极表面，涂覆厚度15um，然后60度加热0.5h，采用叠片工艺组装软包电池，制备好的软包电池在60度条件下加热24h，然后热压机进行挤压，确保极组比较紧密。
不同半互穿网络阻燃固态电解质的离子电导率和熄灭时间如表1所示：
表1
Figure BDA0002404282390000061
从表1和图1结果可以看出，采用的共聚单体或高分子化合物为含氟或硅化合物，制备的电解质具有一定的阻燃型加入无极纳米颗粒能够提高电固态电解质的离子电导率；采用半互穿网络阻燃固态电解质的制备的软包电池能够在0.2C倍率下进行循环，采用半互穿网络阻燃固态电解质3制备的固态电池循环性能最好，循环40周，容量保持率能达到97％。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，其特征在于：包括交联剂、共聚单体、高分子化合物、锂盐、无机化合物和引发剂；
交联剂的质量百分比为0.3-5％，共聚单体的质量百分比为10-40％，高分子化合物的质量百分比为5-30％，锂盐的质量百分比为20-50％，无机化合物的质量百分比为10-50％，引发剂的质量百分比占交联剂和共聚单体质量的0.15-3％。
2.根据权利要求1所述的半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，其特征在于：所述共聚单体为3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基-三(甲基乙基酮肟)硅烷、全氟烷基乙基丙烯酸酯、七氟丁基甲基丙烯酸酯、六氟丁基甲基丙烯酸酯、八氟戊基甲基丙烯酸酯、甲基丙稀酸六氟异丙酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，其特征在于：所述交联剂为多双键官能团单体；
优选地，交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、三羟基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚醚多丙烯酸酯中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，其特征在于：所述高分子化合物为低分子量的聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸乙烯酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，其特征在于：所述锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的半互穿网络阻燃固态锂离子电解质，其特征在于：无机化合物为LATP、LAGP、LLZO、LPS、LGPS中的一种或多种；
优选地，引发剂为过氧化二苯甲酰、过氧化二月桂酰、过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、偶氮二异丁腈中的一种。
7.制备权利要求1-6中任一所述的半互穿网络阻燃固态锂离子电解质的方法，其特征在于：将交联剂、共聚单体、高分子化合物、锂盐、无机化合物和引发剂共混后原位聚合制备得到半互穿网络阻燃固态锂离子电解质。
8.一种包括权利要求1-6中任一所述的半互穿网络阻燃固态锂离子电解质的固态锂电池。
9.根据权利要求8所述的固态锂电池，其特征在于：正极活性材料为NCA、NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、CrxOy、LiFePO4、富锂锰基和硫中的一种；
优选地，负极为石墨、硅、锂金属、锂铝合金、锂硅合金和锂硼合金中的一种或多种。
10.制备权利要求8或9所述固态锂电池的方法，其特征在于：采用叠片工艺制备，半互穿网络阻燃固态电解质涂敷在正极表面；
优选地，所述半互穿网络阻燃固态电解质通过滚涂方法涂敷在正极表面，涂覆面积大于正极涂覆面积；
优选地，所述的半互穿网络阻燃固态电解质电池涂覆正极表面采用60-80℃温度引发聚合；
优选地，固态电池组装完成后在60℃烘箱内静止24h。
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