CN101897071B - 用于锂聚合物电池组的电解质 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于电池组的固体聚合物电解质。所述固体聚合物电解质包含能够使锂盐溶剂化的第一聚合物、锂盐和与所述第一聚合物至少部分可混溶或者被制成为与所述第一聚合物至少部分可混溶的第二聚合物；第二聚合物的至少一部分在电池组内部工作温度下是结晶态或玻璃态的。

Description

用于锂聚合物电池组的电解质
技术领域
本发明涉及用于锂电池组的固体聚合物电解质，更具体涉及机械阻力提高的聚合物电解质。
背景技术
使用锂金属作为负电极的锂电池组具有优异的能量密度。但是，随着不断循环，在电池组重复充电时，由于锂离子不均匀地重复镀覆到锂金属电极表面上，使得该电池组可能在锂金属电极的表面上经历枝晶(dendrite)生长。为了将包括枝晶生长在内的锂金属阳极表面的形态演变的影响减至最小，锂金属电池组通常采用固体聚合物电解质，如通过引用并入本文的美国专利No.6,007,935中所述。经过多次循环，即使电解质是固态的，锂金属阳极表面上的枝晶仍然可能生长而穿透电解质，从而引起负电极和正电极之间的“软”短路，导致电池组的性能下降或变差。因此，枝晶的生长仍有可能使电池组的循环特性劣化并且对具有金属锂阳极的锂电池组的性能优化构成主要限制。
因而，对于固体电解质而言存在提高机械强度的需求，该固体电解质同样适于降低或抑制枝晶生长对金属锂阳极表面的影响。
发明内容
本发明的一方面是提供一种用于电池组的固体聚合物电解质，所述固体聚合物电解质包括能够使锂盐溶剂化的第一聚合物、锂盐和与第一聚合物至少部分可混溶或被制成为与第一聚合物至少部分可混溶的第二聚合物；至少部分第二聚合物在电池组的内部工作温度下是结晶体或玻璃体。
在本发明的一个方面中，通过增容剂使第二聚合物与第一聚合物可混溶。
本发明的另一方面是提供一种具有多个电化学电池的电池组，每个电化学电池包括金属锂阳极、阴极以及布置在阳极和阴极之间的固体聚合物电解质，所述固体聚合物电解质包括能够使锂盐溶剂化的第一聚合物、锂盐和与第一聚合物至少部分可混溶或被制成为与第一聚合物至少部分可混溶的第二聚合物；第二聚合物的至少一部分在电池组的内部工作温度下是结晶态或玻璃态的，在固体聚合物电解质中保持结晶态或玻璃态的第二聚合物由此提高固体聚合物电解质的机械强度以阻止在金属锂阳极表面上的枝晶生长。
本发明的实施方案各自具有上述目的和/或方面的至少其一，但未必具有它们中的全部。应当理解的是，由于尝试达到上述目的所致的本发明的一些方面可能不能实现这些目的和/或可能实现本文没有明确说明的其它目的。
本发明实施方案的另外的和/或可选择的特征、方面和优点将从以下描述、附图和所附权利要求中变得明显。
附图说明
为更好地理解本发明以及本发明的其它方面和进一步的特征，参考结合附图使用的如下描述，其中：
图1是形成锂金属聚合物电池组的多个电化学电池的示意图。
具体实施方式
图1示意性示出具有多个电化学电池12的锂金属聚合物电池组10，每个电化学电池12均包括由金属锂片制成的阳极或负电极14、固体电解质16和层合在集流体20上的阴极或正电极膜18。固体电解质16通常包含锂盐以提供阳极14和阴极18之间的离子导电。锂金属片的典型厚度为20微米至100微米；固体电解质16的厚度为10微米至50微米，正电极膜18的典型厚度为20微米至100微米。
电化学电池12中的电池组10的内部工作温度通常为40℃至100℃。锂聚合物电池组优选包括内部加热系统，以将电化学电池12升温至其最佳工作温度。电池组10可以在宽温度范围内(-40℃～+70℃)于室内或室外使用。
本发明的固体聚合物电解质16由至少两种聚合物和锂盐的共混物构成。第一聚合物具有溶解锂盐的能力以形成用于锂离子在阳极14和阴极18之间迁移的导电介质，例如聚醚类的聚合物，包括聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚环氧丁烷(PBO)等以及包含或包括这些聚合物之一的共聚物。第一聚合物优选是基于聚环氧乙烷(PEO)的聚合物或共聚物。第一聚合物在电解质中可为固态或凝胶态。第二聚合物与第一聚合物至少部分可混溶或者通过增容剂使第二聚合物与第一聚合物至少部分可混溶，使得两种聚合物在电解质中形成它们二者的聚合物链在分子水平上缠绕的相。第二聚合物的作用在于提高固体电解质16对于在锂金属片表面上的锂枝晶生长的机械阻力。因为第一聚合物适于使锂盐溶剂化，所以第二聚合物对锂盐可以是非溶剂化的。
固体聚合物电解质16比现有技术的固体聚合物电解质的强度更高，因而可以制得比现有技术的聚合物电解质更薄。如上所述，固体聚合物电解质16可以薄至10微米。电池组中的电解质越薄，则电池组就越轻，因而电池组的能量密度就越高。聚合物共混物强度的增加也可以使固体聚合物电解质16在加工时更为稳定。固体聚合物电解质16更为抗撕裂，并且在生产过程中不太可能起皱。可以用共混物(第一聚合物和第二聚合物以及锂盐)的成分比来调节固体聚合物电解质16的粘附性，以改善固体聚合物电解质的加工性和电池组的制造。
第二聚合物可以是结晶体(或部分结晶体)或玻璃体。在第二聚合物是结晶体例如聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)情况下，其熔融温度必须高于电池组的内部工作温度。PVDF-HFP共聚物的熔融温度为约135℃。在第一聚合物和第二聚合物的共混物中，第二聚合物的部分分子能够形成微晶，所述微晶分散在电解质的可混溶相中并且即使在40℃～100℃的电池组内部工作温度下也保持结晶态。这些微晶为固体电解质16提供强度并且改善固体电解质16的机械阻力。在具有金属锂阳极的电池组中，固体电解质16对于锂枝晶生长的阻力更大，更具体而言，固体电解质16的聚合物共混物提高固体电解质16对于金属锂阳极表面上的枝晶生长所导致的穿透或穿孔的阻力。
PVDF-HFP共聚物与聚醚类聚合物如PEO不可混溶。但是，充当PVDF-HFP共聚物和聚醚聚合物之间的增容剂的锂盐的存在，致使固体聚合物电解质中的PVDF-HFP共聚物与聚醚聚合物部分可混溶。在固体聚合物电解质16的一个优选实施方案中，PEO、PVDF-HFP和锂盐以30重量％～70重量％的PEO、20重量％～60重量％的PVDF-HFP以及10重量％～25重量％的锂盐的比例混合。例如，固体聚合物电解质16的共混物可以由55重量％的PEO、30重量％的PVDF-HFP和15重量％的锂盐组成。在PEO和PVDF-HFP的共混物中，PVDF-HFP的分子簇形成微晶，所述微晶分散在电解质的可混溶相中并且在电池组内部工作温度下保持结晶态。
在包括诸如PEO的聚醚和PVDF-HFP的固体聚合物电解质的制备过程中，已经发现在聚醚和PVDF-HFP已经混合在一起之后加入锂盐使得PVDF-HFP能够保持更大的结晶度以及形成更大的微晶，这提高了固体聚合物电解质16的机械强度。
增容剂是能够通过在不可混溶的不同化合物之间例如聚醚和PVDF-HFP之间提供桥以形成至少一个含有两种聚合物的均匀区域而连接不可混溶化合物的化合物。
在第二聚合物是玻璃体如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的情况下，其玻璃化转变温度必须高于电池组的工作温度。PMMA聚合物的玻璃化转变温度为约115℃，并且其与聚醚类聚合物如PEO完全可混溶，产生均匀的共混物。但是，PMMA的分子在电池组内部工作温度下在固体聚合物电解质中保持其玻璃态。保持其玻璃态的PMMA的分子链分散在聚醚-PMMA的均匀共混物的可混溶相中，并且为固体聚合物电解质16提供增加的强度并且改善其机械阻力。在具有金属锂阳极的电池组中，固体聚合物电解质16对于锂枝晶生长的阻力更大，更具体而言，对于在金属锂阳极表面上的枝晶生长所导致的穿透或穿孔的阻力更大。与现有技术中基于聚醚的电解质相比，分散在均匀共混物的可混溶相中保持其玻璃态的PMMA的分子链提供对于枝晶生长更坚固的屏障。在固体聚合物电解质16的一个优选实施方案中，PEO、PMMA和锂盐以45重量％～80重量％的PEO、10重量％～30重量％的PMMA以及10重量％～25重量％的锂盐的比例混合。例如，固体聚合物电解质16的共混物可以由70重量％的PEO、15重量％的PMMA和15重量％的锂盐组成。
第二聚合物的机械强度不必强于第一聚合物。第二聚合物在电池组内部工作温度下根据情况保持结晶态或玻璃态的能力，改善了固体聚合物电解质16的机械强度，更具体而言改善了固体聚合物电解质16对于因枝晶生长所导致的穿透或穿孔的阻力。虽然第一聚合物在电池组内部工作温度下软化，但第二聚合物保持结晶态或玻璃态。
一般而言，第一聚合物和锂盐在固体聚合物电解质中的具体比例是根据所生产电池组的所需电化学性能进行调节的。
固体聚合物电解质16也可以由第一聚合物、第二聚合物和第三聚合物组成，所述第一聚合物具有溶解锂盐的能力以形成用于锂离子在阳极14和阴极18之间迁移的导电介质，例如包括聚环氧乙烷(PEO)的聚醚类聚合物，所述第二聚合物和所述第三聚合物中至少其一在电池组内部工作温度下根据情况保持结晶态或玻璃态。例如，固体聚合物电解质可以通过聚醚与由PVDF-HFP构成的第二聚合物和由PMMA构成的第三聚合物共混制备。在该特定情形中，在电池组内部工作温度下，第二聚合物保持结晶态，第三聚合物保持玻璃态，由此提高固体聚合物电解质16的机械强度，更具体而言，提高固体聚合物电解质16对于因枝晶生长所导致的穿透或穿孔的阻力。在固体聚合物电解质16的一个具体实施方案中，PEO、PVDF-HFP、PMMA和锂盐以30重量％～60重量％的PEO、15重量％～40重量％的PVDF-HFP、5重量％～20重量％的PMMA以及10重量％～25重量％的锂盐的比例混合。例如，固体聚合物电解质16的共混物可以由50重量％的PEO、20重量％的PVDF-HFP、15重量％的PMMA和15重量％的锂盐组成。
在各实施方案中，所得的固体电解质16具有2MPa(290psi)到5MPa(725psi)的杨氏模量。比较而言，基于聚醚的电解质通常具有0.5MPa(72.5psi)到1MPa(145psi)的杨氏模量。
诸如二氧化硅和/或金属氧化物如氧化镁的无机填料也可以加入到聚合物电解质-锂盐混合物中以提高固体电解质的机械性能。无机填料也可以改善固体电解质的离子电导率。在聚合物电解质-锂盐混合物中可以添加至多10体积％的无机填料。
可以通过将两种以上的聚合物和锂盐溶解在共同的溶剂或溶剂混合物中来制备电解质。其后从电解质中移除溶剂或溶剂混合物，然后将其组装到电池组10的电化学电池12中以形成固体聚合物电解质。电解质也可以通过在任意混合装置如挤出机或捏合机等中，共混熔融态的电解质成分(聚合物和/或共聚物和锂盐)来制备。
对于本领域技术人员而言，对本发明的上述实施方案进行改变和改进可以是显而易见的。以上说明意在示例而非限制。此外，可在附图中出现的各种组件的特征尺寸并非意在进行限制，并且其中组件的大小可以不同于文中描绘的尺寸。因此本发明的范围旨在仅受所附权利要求范围的限制。

Claims (6)

1.一种用于电池组的固体聚合物电解质，所述固体聚合物电解质包括能够使锂盐溶剂化的第一聚合物、锂盐、第二聚合物和第三聚合物的共混物的单层，所述第一聚合物选自聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚环氧丁烷(PBO)或它们的共聚物，所述第二聚合物由聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)共聚物组成，并且与所述第一聚合物至少部分可混溶或者被制成为与所述第一聚合物至少部分可混溶；所述第二聚合物的至少一部分在40℃至100℃的所述电池组的内部工作温度下保持结晶态，所述第三聚合物由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成，并且所述第三聚合物的至少一部分在所述电池组的内部工作温度下保持玻璃态。
2.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质，其中在所述固体聚合物电解质中保持结晶态的所述第二聚合物的至少一部分形成分散在所述固体聚合物电解质的可混溶相中的微晶。
3.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质，还包含选自二氧化硅和金属氧化物的无机填料。
4.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质，其中所述固体聚合物电解质具有2MPa至5MPa的杨氏模量。
5.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质，其中通过作为增容剂的所述锂盐使所述第二聚合物与所述第一聚合物可混溶。
6.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质，其中通过作为增容剂的所述锂盐使所述第三聚合物与所述第一聚合物可混溶。
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