CN106450444A - 一种锂硫电池电解质及其制备方法 - Google Patents

一种锂硫电池电解质及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂硫电池电解质及其制备方法，属于锂硫电池隔膜的技术领域。所述的锂硫电池电解质由具有网状结构凝胶化锂硫电池掺氟芳纶膜和电解液组成，其制备方法包括如下步骤：1)将低温聚合方法制备的芳纶乳液、二甲基乙酰胺和奥利氟宝(OliphobolTM7713)按照一定的比例混合均匀，再加入四丁基碘化铵搅拌均匀后制备静电纺丝溶液，利用静电纺丝法制备厚度为25～30μm的掺氟芳纶膜；2)将掺氟芳纶膜放入一定浓度双三氟甲烷磺酰亚胺(加入一定浓度的硝酸)‑1，3‑二氧戊环和1，2‑二甲氧基乙烷(体积之比1∶1)的混合液中静置，制备凝胶化掺氟芳纶聚合物电解质。运用该方法制备的一种网状结构凝胶化锂硫电池掺氟芳纶电解质在锂硫电池中具有重要的作用。

Description

一种锂硫电池电解质及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂硫电池电解质及其制备方法，属于锂硫电池隔膜的技术领域。
背景技术
锂硫电池由于其能量密度高、功率密度大、循环寿命长、记忆效应小等原因引起了广泛的关注，成为各种新能源汽车的有效储能系统之一。隔膜是锂硫电池的重要组成部分，它影响整个电池的电化学性能和安全性能。当前，在市场上主要的电池隔膜包括：聚丙烯、聚乙烯以及它们的复合形式。但是，当这些隔膜运用到所组装的电池中时，但这些膜的缺点也十分显著，如在高温或高电流密度下，充放电性能较差，导致存在较大的安全隐患，并且其亲液性差、离子电导率低，尤其这些隔膜不能对多硫化合物进行有效的抑制，因此开发高性能的隔膜成为改善锂硫电池性能一个重要的方面。
随着高压混合动力汽车的不断发展，电池需要具有更高的安全性，这就要求电池隔膜具有较好的安全性。一方面，人们选取一些聚合物材料如聚偏氟乙烯、纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯等作为形成凝胶电解质的原材料，同样，芳纶纤维膜由于其优良的耐热性、耐化学性、自熄性、机械性能和电绝缘性能，且其在350℃以下不会被分解和碳化，因此也引起了学者们的兴趣。与传统的电池隔膜相比，这些电池均展现出良好的安全性和热稳定性。另一方面，一些学者们也通过在传统隔膜中添加无机颗粒如二氧化钛、二氧化硅和三氧化二铝来增加电池隔膜的热稳定性和提高液体电解液润湿性。然而，这些无机纳米粒子容易团聚，这不利于静电纺丝技术连续制备膜。因此，开发一种凝胶化掺氟芳纶聚合物锂硫电池电解质变得十分重要。
发明内容
针对上述背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种锂硫电池电解质及其制备方法，所述的锂硫电池电解质由具有网状结构的锂硫电池掺氟芳纶膜和电解液组成。该种方法能改善凝胶化电解质与正负极片的兼容性，能有效提高锂硫电池的工作电压、能量密度和热稳定性以及循环寿命，并利用静电纺丝法制备的膜中由于存在四丁基碘化铵中，膜在静电纺丝过程中可以形成网状结构，该结构能够阻碍多硫化物的穿梭效应。
为了实现上述目的，本发明提供了一种锂硫电池电解质及其制备方法，所述的锂硫电池电解质由具有网状结构的锂硫电池掺氟芳纶膜和电解液组成，其制备方法包括如下步骤：
(1)掺氟芳纶膜纺制：将低温聚合方法制备的芳纶乳液、二甲基乙酰胺和奥利氟宝(OliphobolTM 7713)按照一定的比例混合均匀，再加入四丁基碘化铵搅拌均匀后制备静电纺丝溶液，利用静电纺丝法制备厚度为25～30μm的掺氟芳纶膜；
(2)掺氟芳纶聚合物电解质制备：将掺氟芳纶膜放入一定浓度的双三氟甲烷磺酰亚胺(LiTFSI)(加入一定浓度的硝酸)-1，3-二氧戊环(DOL)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)(体积之比1∶1)的混合液中静置6h，放置60℃的真空干燥箱中烘照12h，制备凝胶化掺氟芳纶聚合物电解质。
所述的锂硫电池电解质及其制备方法，其特征在于：所述的芳纶乳液、二甲基乙酰胺的体积之比为4∶1～6∶1，芳纶乳液与奥利氟宝(OliphobolTM 7713)的体积比为3∶1～6∶1。
所述的锂硫电池电解质及其制备方法，其特征在于：所述的纺丝液中的四丁基碘化铵占整个混合液质量分数的5％～10％。
所述的奥利氟宝加入到纺丝液中，能够为静电纺膜提供掺氟来源，其能够降低膜的结晶度，增加膜的孔隙率、吸液率和热稳定性，并且其可以与多硫化物之间形成强有力的化学键，从而有效地抑制多硫化物的穿梭效应。所述的纺丝液中的四丁基碘化铵的加入能够增加纺丝液的电导率，形成劈裂结构，有利于在纺丝过程中形成网络状结构，这样有利于阻止多硫化物穿梭到电池负极。
静电纺丝技术是一种公知的纳米纤维膜制备方法。该方法是目前最为有效的纳米纤维制备技术，具有工艺简单、生产效率高和工业生产易实施的特点，纤维直径大小和分布可直接通过调整工艺来获得。
所述的硝酸可以加速隔膜凝胶化的形成，并且在电池循环过程中与多硫化物之间形成化学键，增加对多硫化物穿梭效应的抑制作用。
由于采用以上技术方案，本发明的锂硫电池具有以下特点：
由于采用耐高温凝胶化掺氟芳纶聚合物锂离子电池电解质，电池的热稳定性和安全性得到了极大的提高；
该掺氟的芳纶隔膜相比于纯芳纶隔膜具有更细更均匀以及更多的非结晶区的静电纺丝纤维，并且掺氟的芳纶纤维具有更高的介电常数；
该掺氟的隔膜具有更大的孔隙率和吸液率；
由于纺丝液中四丁基碘化铵的加入，所制备的隔膜能够形成网状结构，这样更加有利于捕获多硫化物，从而极大的抑制多硫化物的穿梭效应。
上述四个特点使得所制备对的锂硫电池具有更加优异的电化学性能。
本发明提供了一种网状结构凝胶化锂硫电池掺氟芳纶电解质及其制备方法，其制备的网状结构凝胶化锂硫电池掺氟芳纶电解质的锂硫电池为混合动力车提供了良好的指导，并且这种方法将为聚合物隔膜凝胶化在锂硫电池方面的制备和运用提供良好的指导意义。
附图说明
图1为不同比例的四丁基碘化铵所制备的网状结构凝胶化锂硫电池掺氟芳纶电解质的SEM图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
实施例1
本发明中首先需要配置静电溶液吹喷的纺丝溶液，其具体步骤为：将芳纶乳液(使用的浓度为10wt.％)加入到二甲基乙酰胺(体积之比为1∶5)，然后在氮气下搅拌6小时形成均一的溶液，再在芳纶/二甲基乙酰胺混合液中滴加一定量的奥利氟宝(OliphobolTM 7713)乳液(体积之比为4∶20∶1)，再加入占混合液质量分数5％的四丁基碘化铵在氮气环境下搅拌12小时，得到静电纺丝法纺丝溶液。
将上述步骤(1)中的溶液缓慢加入到注射器中，与注射器紧密连接的针的直径为0.3mm，针头的溶液供给量保持为0.1mL/h。一个表面被铝箔覆盖的旋转圆盘被作为接收装置，并且在注射器尖端和收集器之间设置了15cm的纺丝距离。纺丝液通过喷丝头，经过高压静电电场作用对纤维进行牵伸，其中所使用的静电电压为20KV，当溶剂蒸发后，在接收装置上得到有机掺氟芳纶聚合物膜。
将上述步骤(2)中有机掺氟的芳纶纳米纤维膜放入在真空环境中加入浓度为1mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺(LiTFSI)(加入浓度为0.1mol/L的硝酸)-1，3-二氧戊环(DOL)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)(体积之比1∶1)的混合液中静置制备凝胶化掺氟芳纶聚合物电解质，然后将有机掺氟的芳纶纳米纤维膜放置在60℃真空干燥箱中加热12小时。
实施例2
本发明中首先需要配置静电溶液吹喷的纺丝溶液，其具体步骤为：将芳纶乳液(使用的浓度为14wt.％)加入到二甲基乙酰胺(体积之比为1∶5)，然后在氮气下搅拌6小时形成均一的溶液，再在芳纶/二甲基乙酰胺混合液中滴加一定量的奥利氟宝(OliphobolTM 7713)乳液(体积之比为4∶20∶1)，再加入占混合液质量分数7％的四丁基碘化铵在氮气环境下搅拌12小时，得到静电纺丝法纺丝溶液。
将上述步骤(1)中的溶液缓慢加入到注射器中，与注射器紧密连接的针的直径为0.35mm，针头的溶液供给量保持为0.2mL/h。一个表面被铝箔覆盖的旋转圆盘被作为接收装置，并且在注射器尖端和收集器之间设置了18cm的纺丝距离。纺丝液通过喷丝头，经过高压静电电场作用对纤维进行牵伸，其中所使用的静电电压为23KV，当溶剂蒸发后，在接收装置上得到有机掺氟芳纶聚合物膜。
将上述步骤(2)中有机掺氟的芳纶纳米纤维膜放入在真空环境中加入浓度为1.5mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺(LiTFSI)(加入浓度为0.2mol/L的硝酸)-1，3-二氧戊环(DOL)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)(体积之比1∶1)的混合液中静置制备凝胶化掺氟芳纶聚合物电解质，然后将有机掺氟的芳纶纳米纤维膜放置在60℃真空干燥箱中加热12小时。
实施例3
本发明中首先需要配置静电溶液吹喷的纺丝溶液，其具体步骤为：将芳纶乳液(使用的浓度为18wt.％)加入到二甲基乙酰胺(体积之比为1∶5)，然后在氮气下搅拌6小时形成均一的溶液，再在芳纶/二甲基乙酰胺混合液中滴加一定量的奥利氟宝(OliphobolTM 7713)乳液(体积之比为4∶20∶1)，再加入占混合液质量分数9％的四丁基碘化铵在氮气环境下搅拌12小时，得到静电纺丝法纺丝溶液。
将上述步骤(1)中的溶液缓慢加入到注射器中，与注射器紧密连接的针的直径为0.4mm，针头的溶液供给量保持为0.2mL/h。一个表面被铝箔覆盖的旋转圆盘被作为接收装置，并且在注射器尖端和收集器之间设置了22cm的纺丝距离。纺丝液通过喷丝头，经过高压静电电场作用对纤维进行牵伸，其中所使用的静电电压为28KV，当溶剂蒸发后，在接收装置上得到有机掺氟芳纶聚合物膜。
将上述步骤(2)中有机掺氟的芳纶纳米纤维膜放入在真空环境中加入浓度为1.5mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺(LiTFSI)(加入浓度为0.4mol/L的硝酸)-1，3-二氧戊环(DOL)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)(体积之比1∶1)的混合液中静置制备凝胶化掺氟芳纶聚合物电解质，然后将有机掺氟的芳纶纳米纤维膜放置在60℃真空干燥箱中加热12小时。
实施例4
本发明中首先需要配置静电溶液吹喷的纺丝溶液，其具体步骤为：将芳纶乳液(使用的浓度为20wt.％)加入到二甲基乙酰胺(体积之比为1∶5)，然后在氮气下搅拌6小时形成均一的溶液，再在芳纶/二甲基乙酰胺混合液中滴加一定量的奥利氟宝(OliphobolTM 7713)乳液(体积之比为4∶20∶1)，再加入占混合液质量分数10％的四丁基碘化铵在氮气环境下搅拌12小时，得到静电纺丝法纺丝溶液。
将上述步骤(1)中的溶液缓慢加入到注射器中，与注射器紧密连接的针的直径为0.5mm，针头的溶液供给量保持为0.3mL/h。一个表面被铝箔覆盖的旋转圆盘被作为接收装置，并且在注射器尖端和收集器之间设置了25cm的纺丝距离。纺丝液通过喷丝头，经过高压静电电场作用对纤维进行牵伸，其中所使用的静电电压为30KV，当溶剂蒸发后，在接收装置上得到有机掺氟芳纶聚合物膜。
将上述步骤(2)中有机掺氟的芳纶纳米纤维膜放入在真空环境中加入浓度为1.5mol/L双三氟甲烷磺酰亚胺(LiTFSI)(加入浓度为0.5mol/L的硝酸)-1，3-二氧戊环(DOL)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)(体积之比1∶1)的混合液中静置制备凝胶化掺氟芳纶聚合物电解质，然后将有机掺氟的芳纶纳米纤维膜放置在60℃真空干燥箱中加热12小时。
上述的四个实施例中，不同比例的四丁基碘化铵形成的网状结构凝胶化锂硫电池掺氟芳纶电解质的SEM图如图1所示，图中a，b，c，d分别对应上述四个实施例中形成的凝胶化锂硫电池掺氟芳纶电解质的SEM图。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制使用本发明的专利范围。

Claims (3)

1.一种锂硫电池电解质及其制备方法，所述的锂硫电池电解质由具有网状结构凝胶化锂硫电池掺氟芳纶膜和电解液组成，其制备方法包括如下步骤：
(1)掺氟芳纶膜纺制：将低温聚合方法制备的芳纶乳液、二甲基乙酰胺和奥利氟宝(OliphobolTM 7713)按照一定的比例混合均匀，再加入四丁基碘化铵搅拌均匀后制备静电纺丝溶液，利用静电纺丝法制备厚度为25～30um的掺氟芳纶膜；
(2)掺氟芳纶聚合物电解质制备：将掺氟芳纶膜放入一定浓度的双三氟甲烷磺酰亚胺(LiTFSI)(加入一定浓度的硝酸)-1，3-二氧戊环(DOL)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)(体积之比1∶1)的混合液中静置6h，放置60℃的真空干燥箱中烘照12h，制备凝胶化掺氟芳纶聚合物电解质。
2.如权利要求1所述的锂硫电池电解质及其制备方法，其特征在于：所述的芳纶乳液、二甲基乙酰胺的体积之比为4∶1～6∶1，芳纶乳液与奥利氟宝(OliphobolTM 7713)的体积比为3∶1～6∶1。
3.如权利要求1所述的锂硫电池电解质及其制备方法，其特征在于：所述的四丁基碘化铵占整个混合液质量分数的5％～10％。
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