CN102170021A - 一种锂电池凝胶电解质膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂电池凝胶电解质膜及其制备方法，是将细菌纤维素处理呈中性后通过打浆分散制成细菌纤维素浆液，经抽滤脱水，电解液浸泡，即得到凝胶电解质膜。本发明所提供的锂电池凝胶电解质膜，具有好的离子传导性和力学强度，有效地解决了凝胶电解质膜机械强度方面的问题。其制备方法利用打浆、抽滤等方式使凝胶电解质膜的厚度降低，提高锂电池凝胶电解质膜表面平滑度，纤维分布更加均匀，排列致密，物理特性较强，扩展了应用范围，制备工艺简单，易于工业化生产。

Description

一种锂电池凝胶电解质膜及其制备方法
技术领域
本发明属电池用电解质膜技术领域，特别涉及一种以细菌纤维素为基体材料的锂电池凝胶电解质膜及其制备方法。
背景技术
随着电子信息产业的蓬勃发展，能源已成为制约其发展的瓶颈，就目前能源短缺的现状，寻找新型能源已成为解决能源短缺问题的重要途径之一，越来越多的焦点开始聚集于质轻、安全无毒、高比能量的能源材料锂电池，它具有额定电压高、比能量高、使用寿命长、自放电速率低及绿色环保等优点。
目前，由于锂电池中含有的液态电解质容易出现漏液现象，使其面临着严重的安全问题，研究表明，采用聚合物电解质可有效地解决锂电池漏液现象。聚合物电解质分为干态聚合物电解质(DPE)和凝胶聚合物电解质(GPE)，干态聚合物电解质(DPE)在室温下的离子电导率为10-4～10-5S/cm，电导率较低，难于在电池中应用；凝胶聚合物电解质(GPE)在室温下的离子电导率一般都在10-3S/cm数量级，符合锂电池的设计要求，它采用聚合物基体，将有机溶剂转化为凝胶。目前已经开发了很多种GPE的聚合物基体，主要包括聚氧化乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)等。由于聚合物在“凝胶状态”时的浓度不高，它的机械强度有待提高，这也限制了凝胶聚合物电解质在锂电池中的应用。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种锂电池凝胶电解质膜及其制备方法，特别是提供一种以细菌纤维素为基体材料的锂电池凝胶电解质膜及其制备方法。
本发明所采用的技术方案：
一种锂电池凝胶电解质膜，是以细菌纤维素为基体材料，经电解质浸泡后抽滤脱水而制成；所述的细菌纤维素是超细三维网状结构，其孔径为0.5～1.0μm，单根细菌纤维素纤维直径为0.01～0.1μm。
锂电池对电解质隔膜的一致性要求较高，除了厚度、面密度、力学性能这些基本要求之外，对膜微孔的尺寸和分布的均一性也有很高的要求。因为微孔的尺寸和分布直接影响到凝胶电解质隔膜的孔隙率、透气性、吸液率。电解质隔膜孔径过大(1.1～5μm)，电池内部枝晶生成电池易短路；孔径过小(0.05～0.5μm)会使电池内阻变大，容量变小。
所述的细菌纤维素干重为40～80g/m2。
本发明还提供了一种上述锂电池凝胶电解质膜的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)、将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤，使细菌纤维素膜呈中性；或者，将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于80～100℃、1wt％～3wt％的NaOH溶液中，保温1～2小时，使细菌纤维素膜呈中性；
(2)、将经过处理的中性细菌纤维素膜放入打浆机中，打浆分散制成细菌纤维素浆液；
(3)、细菌纤维素浆液经抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜的基体材料；
(4)、将基体材料浸泡在电解液中，30～60min后取出得到凝胶电解质膜。
作为优选的技术方案：
其中，所述打浆分散是指在1000～1500r/min的转速下打浆分散15～30min。
所述抽滤脱水是指采用真空泵抽滤装置，脱水率达到40％～50％。
所述电解液由锂盐和有机溶剂组成，锂盐为LiClO4、LiPF6中任一种，有机溶剂为聚乙二醇二甲醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中任一种，其中锂盐的摩尔浓度为1mol/L，锂盐与有机溶剂质量比1∶1～6。
最终得到的锂电池凝胶电解质膜基体材料的孔径为0.5～1.0μm，单根细菌纤维素纤维直径为0.01～0.1μm。
本发明还提供了另一种上述锂电池凝胶电解质膜的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)、将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤，使细菌纤维素膜呈中性；或者，将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于80～100℃、1wt％～3wt％的NaOH溶液中，保温1～2小时，使细菌纤维素膜呈中性；
(2)、将经过处理的中性细菌纤维素膜与电解液放入打浆机中，打浆分散制成细菌纤维素浆液；
(3)、细菌纤维素浆液经抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜。
作为优选的技术方案：
其中，所述打浆分散是指在1000～1500r/min的转速下打浆分散15～30min。
所述电解液由锂盐和有机溶剂组成，锂盐为LiClO4、LiPF6中任一种，有机溶剂为聚乙二醇二甲醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中任一种，其中锂盐的摩尔浓度取1mol/L，锂盐与有机溶剂质量比1∶1～6。
本发明也可考虑采用直接培养细菌纤维素来制备锂电池凝胶电解质膜，但是，锂电池对电解质隔膜的一致性要求较高，除了厚度、面密度、力学性能这些基本要求之外，对膜微孔的尺寸和分布的均一性也有很高的要求。因为微孔的尺寸和分布直接影响到凝胶电解质隔膜的孔隙率、透气性、吸液率。电解质隔膜孔径过大(1.1～5μm)，电池内部枝晶生成电池易短路；孔径过小(0.05～0.5μm)会引起电池内阻大容量小；直接培养细菌纤维素的孔为不规则网状孔，孔大小大多约为0.5～2.0μm，并且孔径分布不均；因此直接培养细菌纤维素来制备锂电池凝胶电解质膜对最终的锂电池凝胶电解质膜的性能影响比较大。另外，由于电解质膜插在正负极之间，因此当电解质与电极直接接触时不希望发生化学反应，而锂电池中的锂金属对水分敏感，容易发生反应，因此锂电池中水分含量要求在ppm数量级，培养后的细菌纤维素也可直接制成凝胶电解质膜，可以采用减压升温等方法将细菌纤维素中的水由含锂盐的有机溶剂取代，但是水分很难完全去除，极大的影响了电池的性能，产生气体导致电池鼓胀，严重更会爆炸；电解液中的锂盐(如LiPF6、LiClO4)也会和水发生化学反应生成氢氟酸或盐酸，腐蚀锂电池铜箔及电池壳体。再者，细菌纤维素经过培养制得后还有细菌残留，本发明经过打浆抽滤可以将残留的菌体过滤去除掉，经过打浆抽滤后制得的细菌纤维素凝胶电解质膜的水分含量达到ppm数量级。
本发明的一种锂电池凝胶电解质膜的制备方法，细菌纤维素纤维的直径大约为0.01～0.1μm，微细纤维之间重合度高。细菌纤维素经过打浆，可以较好地控制孔径(0.5～1.0μm)和孔隙率，提高了匀度和平滑度，使锂电池凝胶电解质膜的厚度均匀度和孔的均匀度有所改善，孔径更加均匀。
本发明的有益效果：
本发明所提供的锂电池凝胶电解质膜，采用具有超细三维网状结构的细菌纤维素作为基体材料，可有效地提高保液率，具有良好的离子传导性和力学强度，有效地解决了凝胶电解质膜在机械强度方面的问题，具有持水能力强、生物相容性高、适应性和生物可降解性好等特点。
本发明所提供的锂电池凝胶电解质膜的制备方法，提高电解质膜表面平滑度，纤维分布更加均匀，排列致密，物理特性较强。将细菌纤维素抽滤干燥后，水分得到充分地去除，更有利于锂电池的装配。经过打浆抽滤使凝胶电解质膜的厚度降低，使得锂电池的外形更加薄形化，扩展了应用范围。简化凝胶电解质膜制备工艺，操作时间短，易于工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，在参考了本发明的技术方案之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例一
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于80℃、1wt％的NaOH溶液中，保温1小时，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜放入打浆机中，在1000r/min的转速下打浆分散15min，制成细菌纤维素浆液；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜的基体材料；
(4)将基体材料浸泡在电解液中30min后得到锂电池凝胶电解质膜，该电解液由LiClO4和聚乙二醇二甲醚组成，其中溶剂聚乙二醇二甲醚的分子量为280，LiClO4的摩尔浓度取1mol/L，LiClO4与聚乙二醇二甲醚质量比1∶2。
最终得到的锂电池凝胶电解质膜基体材料的孔径为0.5μm，单根细菌纤维素纤维直径为0.01μm。
实施例二
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于85℃、1.5wt％的NaOH溶液中，保温1.25小时，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜放入打浆机中，在1200r/min的转速下打浆分散20min，制成细菌纤维素浆液；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜的基体材料；
(4)将基体材料浸泡在电解液中40min后得到锂电池凝胶电解质膜，该电解液由LiClO4和碳酸乙烯酯组成，其中溶剂碳酸乙烯酯的分子量为88，LiClO4的摩尔浓度取1mol/L，LiClO4与碳酸乙烯酯质量比1∶3。
最终得到的锂电池凝胶电解质膜基体材料的孔径为0.6μm，单根细菌纤维素纤维直径为0.03μm。
实施例三
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于90℃、2wt％的NaOH溶液中，保温1.5小时，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将细菌纤维素膜放入打浆机中，在1300r/min的转速下打浆分散25min，制成细菌纤维素浆液；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜的基体材料；
(4)将基体材料浸泡在电解液中50min后得到锂电池凝胶电解质膜，该电解液由LiClO4和碳酸丙烯酯组成，其中溶剂碳酸丙烯酯的分子量为102，LiClO4的摩尔浓度取1mol/L，LiClO4与碳酸丙烯酯质量比1∶4。
最终得到的锂电池凝胶电解质膜基体材料的孔径为0.8μm，单根细菌纤维素纤维直径为0.05μm。
实施例四
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于100℃、3wt％的NaOH溶液中，保温2小时，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜放入打浆机中，在1500r/min的转速下打浆分散30min，制成细菌纤维素浆液；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜的基体材料；
(4)将基体材料浸泡在电解液中60min后得到锂电池凝胶电解质膜，该电解液由LiPF6和聚乙二醇二甲醚组成，其中溶剂聚乙二醇二甲醚的分子量为280，LiPF6的摩尔浓度取1mol/L，LiPF6与聚乙二醇二甲醚质量比1∶5。
最终得到的锂电池凝胶电解质膜基体材料的孔径为1.0μm，单根细菌纤维素纤维直径为0.1μm。
实施例五
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜放入打浆机中，在1400r/min的转速下打浆分散25min，制成细菌纤维素浆液；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜的基体材料；
(4)将基体材料浸泡在电解液中50min后得到锂电池凝胶电解质膜，该电解液由LiPF6和碳酸乙烯酯组成，其中溶剂碳酸乙烯酯的分子量为88，LiPF6的摩尔浓度取1mol/L，LiPF6与碳酸乙烯酯质量比1∶2。
最终得到的锂电池凝胶电解质膜基体材料的孔径为0.7μm，单根细菌纤维素纤维直径为0.07μm。
实施例六
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于80℃、1wt％的NaOH溶液中，保温1小时，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜与电解液放入打浆机中，在1000r/min的转速下打浆分散15min，制成细菌纤维素浆液，该电解液由LiClO4和聚乙二醇二甲醚组成，其中溶剂聚乙二醇二甲醚的分子量为280，LiClO4的摩尔浓度取1mol/L，LiClO4与聚乙二醇二甲醚质量比1∶2；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜。
实施例七
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于85℃、1.5wt％的NaOH溶液中，保温1.25小时，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜与电解液放入打浆机中，在1200r/min的转速下打浆分散20min，制成细菌纤维素浆液，该电解液由LiClO4和碳酸乙烯酯组成，其中溶剂碳酸乙烯酯的分子量为88，LiClO4的摩尔浓度取1mol/L，LiClO4与碳酸乙烯酯质量比1∶3；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜。
实施例八
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于90℃、2wt％的NaOH溶液中，保温1.5小时，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜与电解液放入打浆机中，在1300r/min的转速下打浆分散25min，制成细菌纤维素浆液，该电解液由LiClO4和碳酸丙烯酯组成，其中溶剂碳酸丙烯酯的分子量为102，LiClO4的摩尔浓度取1mol/L，LiClO4与碳酸丙烯酯质量比1∶4；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜。
实施例九
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于100℃、3wt％的NaOH溶液中，保温2小时，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜与电解液放入打浆机中，在1500r/min的转速下打浆分散30min，制成细菌纤维素浆液，该电解液由LiPF6和聚乙二醇二甲醚组成，其中溶剂聚乙二醇二甲醚的分子量为280，LiPF6的摩尔浓度取1mol/L，LiPF6与聚乙二醇二甲醚质量比1∶5；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜。
实施例十
(1)将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，使细菌纤维素膜pH值为7；
(2)将中性细菌纤维素膜与电解液放入打浆机中，在1400r/min的转速下打浆分散25min，制成细菌纤维素浆液，该电解液由LiPF6和碳酸乙烯酯组成，其中溶剂碳酸乙烯酯的分子量为88，LiPF6的摩尔浓度取1mol/L，LiPF6与碳酸乙烯酯质量比1∶2；
(3)细菌纤维素浆液经真空泵抽滤装置抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜。

Claims (8)

1.一种锂电池凝胶电解质膜，其特征是以细菌纤维素为基体材料，经电解质浸泡后抽滤脱水而制成；所述的细菌纤维素是超细三维网状结构，其孔径为0.5～1.0μm，单根细菌纤维素纤维直径为0.01～0.1μm。
2.根据权利要求1所述的锂电池凝胶电解质膜，其特征在于：所述的细菌纤维素干重为40～80g/m2。
3.一种权利要求1所述的锂电池凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
(1)、将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤，使细菌纤维素膜呈中性；
(2)、将经过处理的中性细菌纤维素膜放入打浆机中，打浆分散制成细菌纤维素浆液；
(3)、细菌纤维素浆液经抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜的基体材料；
(4)、将基体材料浸泡在电解液中，30～60min后取出得到凝胶电解质膜。
4.根据权利要求3所述的锂电池凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述抽滤脱水是指采用真空泵抽滤装置，脱水率达到40％～50％。
5.一种权利要求1所述的锂电池凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
(1)、将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤，使细菌纤维素膜呈中性；
(2)、将经过处理的中性细菌纤维素膜与电解液放入打浆机中，打浆分散制成细菌纤维素浆液；
(3)、细菌纤维素浆液经抽滤脱水，得到锂电池凝胶电解质膜。
6.根据权利要求3或5所述的锂电池凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述细菌纤维素的处理是将细菌纤维素膜用蒸馏水反复洗涤后，再将其浸泡于80～100℃、1wt％～3wt％的NaOH溶液中，保温1～2小时，使细菌纤维素膜呈中性。
7.根据权利要求3或5所述的锂电池凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述打浆分散是指在1000～1500r/min的转速下打浆分散15～30min。
8.根据权利要求3或5所述的锂电池凝胶电解质膜的制备方法，其特征在于：所述电解液由锂盐和有机溶剂组成，锂盐为LiC1O4、LiPF6中任一种，有机溶剂为聚乙二醇二甲醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中任一种，其中锂盐的摩尔浓度为1mo1/L，锂盐与有机溶剂质量比1∶1～6。
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