CN110224171B - 一种固体聚合物电解质的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体聚合物电解质的制备方法,所述方法使用经过处理的粉煤灰作为填料,采用溶液浇注‑热压成型方法制备以PEO为基体的固体聚合物电解质。本发明使用经过处理的粉煤灰作为填料,采用溶液浇注‑热压成型方法制备的固体电解质具有较高的离子电导率、较宽电压窗口和较好的机械性能,可以抑制负极锂枝晶的生长,有利于提高锂离子电池循环性能。本发明使用粉煤灰作为填料原材料,成本低廉,有利于降低制造成本,能够实现工业废渣回收再利用,响应国家环境保护号召。本发明制备方法简单,以商用磷酸铁锂为正极材料,锂片为对电极,组装出扣式全电池在室温条件下,具有优异的倍率性能和循环稳定性,具有很好的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态电解质的制备方法,具体涉及一种使用经过处理的粉煤灰颗粒作为填料制备固态电解质的方法。
背景技术
锂离子电池具有高的能量和功率密度,低自放电率和长循环寿命,因此,锂离子电池在3C电子、储能和电动汽车等领域得到广泛应用。
然而,目前的锂离子电池大部分使用的传统的液态有机电解液,存在着易燃、易泄露等安全性问题,相比之下,固态电解质具有高热稳定性、低可燃性、无泄漏和挥发风险等优点,并且是实现高容量锂金属阳极的最有前途的方法之一。固体聚合物电解质因其出色的可制造性和轻质性,工艺简单,成本低廉,目前被认为是最有可能实现大规模工业化和产业化的固体电解质。
早期,科研工作者探索了许多导锂离子的聚合物,其中聚环氧乙烷(PEO)基复合材料得到广泛认可。PEO分子中含有能够使锂盐分离的醚配位以及协助离子运输的柔性大分子结构。PEO晶体区域的存在干扰了离子传输,因此,锂离子需要在非晶相才能实现快速传导,所以在PEO熔点以上电导率才会急剧增加;但是,在高温下,PEO会变成一种粘性液体并失去其尺寸稳定性。最早,由Weston和Steele首次成功地提出通过在聚合物基质中加入陶瓷填料来改善聚合物电解质膜的离子电导率和机械强度。引入陶瓷填料主要有三方面作用:(1)降低结晶度,增大非结晶区,利于Li+迁移;(2)填料颗粒附近可以形成快速Li+通道;(3)提高聚合物基体力学性能,易于成膜。目前,被广泛研究的是惰性陶瓷填料,如Al2O3、ZrO2、SiO2等。
粉煤灰,是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰,是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为:SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。随着电力工业的发展,火电厂粉煤灰排放量逐年增加,成为我国当前排量最大的工业废渣之一。通过对粉煤灰处理,不仅可以变废为宝,而且方法简单,得到的陶瓷填料,引入到聚合物填料中获得良好的效果,为处理工业废渣提供新的出路。
发明内容
为了解决室温下固体聚合物电解质电导率偏低的问题,本发明提供了一种固体聚合物电解质的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种实用廉价的固体聚合物电解质的制备方法,使用经过处理的粉煤灰作为填料,采用溶液浇注-热压成型方法制备以PEO为基体的固体聚合物电解质。具体包括以下步骤:
步骤(1):取适量的火电厂工业废料废煤灰(灰黑色粉体颗粒),置于马弗炉中高温煅烧,以除去粉煤灰颗粒表面的有机碳,得到土黄色粉体颗粒,其中:烧结制度为室温升温至500~800℃,升温速率为1~10℃/min,保温1~10h,然后随炉自然冷却;
步骤(2):a、将步骤(1)中所得到的土黄色粉体颗粒倒入盛有去离子水的容器,除去高温煅烧后粉煤灰颗粒中的MgO、Na2O、GaO、K2O等易于水发生反应的氧化物,静止1~5h;b、除去表面的漂浮物;c、将容器放入超声波清洗器进行超声,容器下方放置一块磁铁,有效地固定容器底部具有磁性氧化物,如Fe2O3等;d、取出超声过程中容器中部以上去离子水,其中悬浮颗粒,主要是铝硅复合氧化物;e、重复步骤c和步骤d3~5次,即可获得高纯度的铝硅~复合氧化物颗粒;
步骤(3):将步骤(2)中所得铝硅复合氧化物颗粒在真空干燥箱中以50~80℃的温度干燥10~20h,冷却后取出,通过500目筛网,得到黄色的微米级粉体颗粒;
步骤(4):将步骤(3)中所得粉体颗粒按照一定球料比,加入适量的无水乙醇,在高能球磨机中进行间歇式高速球磨,形成流变相,除去料球,倒入结晶皿,在鼓风干燥箱中进行自然干燥,除去乙醇,然后在真空干燥箱中以50~80℃的温度真空干燥10~20h,冷却后取出,得到无乙醇的颗粒均匀的铝硅复合氧化物颗粒,其中:高能球磨机间歇式球磨,每运行10~20min停2~6min,选用不锈钢球磨罐,料球为Φ2mm的氧化铝球,球料比为3~5:1~10,控制转速为400~800r/min,时间为12~18h;
步骤(5):取适量PEO于乙腈中,在室温条件下,磁力搅拌2~5h,加入适量锂盐继续搅拌5~10h,保证锂盐完全溶解,得到聚合物溶液,其中:PEO与乙腈摩尔质量比为1:20~30,PEO与锂盐的摩尔质量比为1:8~18,锂盐为LiTFSI或LiClO4;
步骤(6):取适量步骤(4)中所得铝硅复合氧化物颗粒,加入到步骤(5)中所得聚合物溶液,搅拌5~20h,然后倒入聚四氟乙烯模具中成膜,转移到真空干燥箱中在60~80℃的温度下保温10~20h,得到固体电解质膜,其中:铝硅复合氧化物颗粒占PEO和锂盐总摩尔质量的1~40%;
步骤(7):通过热压工艺将步骤(6)中的固体电解质膜压成100~150μm的黄色薄膜,然后通过切片机切成直径15.8mm的薄片。
相比于现有技术,本发明具有如下优点:
1、本发明使用经过处理的粉煤灰作为填料,采用溶液浇注-热压成型方法制备的固体电解质具有较高的离子电导率、较宽电压窗口和较好的机械性能。该固体电解质可以抑制负极锂枝晶的生长,有利于提高锂离子电池循环性能。
2、本发明使用粉煤灰作为填料原材料,成本低廉,有利于降低制造成本,能够实现工业废渣回收再利用,响应国家环境保护号召。
3、本发明固体电解质制备方法简单,以商用磷酸铁锂为正极材料,锂片(直径15.8mm)为对电极,组装出扣式全电池在室温条件下,具有优异的倍率性能和循环稳定性,具有很好的市场前景。
附图说明
图1为处理后粉煤灰以及PDF#79-1454的X射线衍射图。
图2为未处理的粉煤灰扫描电镜图。
图3为处理后粉煤灰的扫描电镜图。
图4为实施例1制备的电解质膜的扫描电镜图。
图5为实施例2制备的电解质膜的扫描电镜图。
图6为实施例3制备的固体电解质膜的扫描电镜图。
图7为实施例1-3制备的固体电解质膜组装扣式电池的电化学倍率性能。
图8为实施例1-3制备的固体电解质膜组装扣式电池的阻抗图谱(电解质两端为不锈钢钢片,依据该数据可以推算固体电解质膜锂离子电导率)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1:
本实施例按照以下步骤制备电解质膜:
第一步:铝硅复合氧化物填料的制备
(1)取10g废煤灰置于马弗炉中高温煅烧,烧结制度为室温升温至800℃,升温速率为5℃/min,保温2h,然后随炉自然冷却;
(2)将步骤(1)中所得到的土黄色粉体颗粒倒入盛有去离子水的容器(除去高温煅烧后粉煤灰颗粒中的MgO、Na2O、GaO、K2O),静止2h,然后除去表面的漂浮物,然后将该装置放入超声波清洗器进行超声,容器下方放置一块磁铁,有效地固定容器底部具有磁性氧化物,如:Fe2O3,取出超声过程中容器中部以上去离子水,其中悬浮颗粒,主要是铝硅复合氧化物,该过程重复3次即可获得高纯度的铝硅复合氧化物颗粒;
(3)将步骤(2)中所得铝硅复合氧化物颗粒在真空干燥箱中以60℃的温度干燥20h,冷却后取出,通过500目筛网,得到黄色的微米级粉体颗粒;
(4)将步骤(3)中所得粉体颗粒按照5:1球料比,加入适量的无水乙醇,在高能球磨机中进行间歇式高速球磨,形成流变相,除去料球,倒入结晶皿,在鼓风干燥箱中进行自然,除去乙醇,然后在真空干燥箱中以60℃的温度真空干燥20h,冷却后取出,得到无乙醇的颗粒均匀的铝硅复合氧化物颗粒。
第二步:电解质膜的制备方法
(1)取1g PEO于25g乙腈中,在室温条件下磁力搅拌2h,加入0.362g继续搅拌10h,保证锂盐完全溶解;
(2)在步骤(1)中的聚合物溶液中加入0.1362g的铝硅复合氧化物填料(1wt%填料),在室温条件下,磁力搅拌10h,然后倒入聚四氟乙烯模具中成膜,转移到真空干燥箱中以60℃的温度保温20h;
(3)然后倒入聚四氟乙烯模具中成膜,转移到真空干燥箱中以60℃的温度保温20h;
(4)通过热压工艺将步骤(2)中的固体电解质膜压成100~150μm的黄色薄膜,然后通过切片机切成直径15.8mm的薄片,其中热压温度为60℃,压力10MPa,维持10s。
实施例2:本实施例与实施例1不同的是,制备电解质膜时引入10wt%填料,具体制备步骤如下:
(1)取1g PEO于25g乙腈中,在室温条件下,磁力搅拌2h,加入0.362g继续搅拌10h,保证锂盐完全溶解;
(2)在步骤(1)中的聚合物溶液中加入1.362g的铝硅复合氧化物填料,在室温条件下,磁力搅拌10h,然后倒入聚四氟乙烯模具中成膜,转移到真空干燥箱中以60℃的温度保温20h;
(3)通过热压工艺将步骤(2)中的固体电解质膜压成100~150μm的黄色薄膜,然后通过切片机切成直径15.8mm的薄片,其中热压温度为60℃,压力10MPa,维持20s。
实施例3:本实施例与实施例1不同的是,制备电解质膜时引入20wt%填料,其电解质膜制备方法步骤如下:
(1)取1g PEO于25g乙腈中,在室温条件下,磁力搅拌2h,加入0.362g继续搅拌10h,保证锂盐完全溶解;
(2)在步骤(1)中的聚合物溶液中加入2.724g的铝硅复合氧化物填料,在室温条件下,磁力搅拌10h,然后倒入聚四氟乙烯模具中成膜,转移到真空干燥箱中以60℃的温度保温20h;
(3)通过热压工艺将步骤(2)中的固体电解质膜压成100~150μm的黄色薄膜,然后通过切片机切成直径15.8mm的薄片,其中热压温度为60℃,压力10MPa,维持20s。
通过图1~8以及实施例1~3的对比发现,引入适量的经过处理的粉煤灰作为无机填料,采用溶液浇注-热压成型方法制备的固体聚合物电解质,应用于锂离子电池,室温条件下获得优异的电化学性能。
Claims (9)
1.一种固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述方法包括如下步骤:
步骤(1):取废煤灰置于马弗炉中高温煅烧,得到土黄色粉体颗粒;高温煅烧的烧结制度为室温升温至500~800℃,升温速率为1~10℃/min,保温1~10h,然后随炉自然冷却;
步骤(2):a、将步骤(1)中所得到的土黄色粉体颗粒倒入盛有去离子水的容器,静止1~5h;b、除去表面的漂浮物;c、将容器放入超声波清洗器进行超声处理,容器下方放置一块磁铁,有效地固定容器底部具有磁性氧化物;d、取出超声过程中容器中部以上去离子水;e、重复步骤c和步骤d3~5次,获得铝硅复合氧化物颗粒;
步骤(3):将步骤(2)中所得铝硅复合氧化物颗粒在真空干燥箱中干燥,冷却后取出,过筛,得到黄色的微米级粉体颗粒;
步骤(4):将步骤(3)中所得粉体颗粒加入无水乙醇,在高能球磨机中进行间歇式高速球磨,形成流变相,除去料球,倒入结晶皿,在鼓风干燥箱中进行自然干燥,除去乙醇,然后在真空干燥箱中真空干燥,冷却后取出,得到颗粒均匀的铝硅复合氧化物颗粒;
步骤(5):取PEO于乙腈中,在室温条件下磁力搅拌2~5h,加入锂盐继续搅拌5~10h,得到聚合物溶液;
步骤(6):取步骤(4)中所得铝硅复合氧化物颗粒加入到步骤(5)中所得聚合物溶液中,搅拌5~20h,然后倒入聚四氟乙烯模具中成膜,转移到真空干燥箱中干燥,得到固体电解质膜;
步骤(7):通过热压工艺将步骤(6)中的固体电解质膜压成黄色薄膜,然后切成薄片。
2.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述真空干燥温度为50~80℃,时间为10~20h。
3.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述高能球磨机进行间歇式球磨时,每运行10~20min停2~6min,控制转速为400~800r/min,时间为12~18h。
4.根据权利要求1或3所述的固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述高能球磨机进行间歇式球磨时,选用不锈钢球磨罐,料球为Φ2mm的氧化铝球,球料比为3~5:1~10。
5.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述PEO与乙腈摩尔质量比为1:20~30。
6.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述锂盐为LiTFSI或LiClO4。
7.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述PEO与锂盐的摩尔质量比为1:8~18。
8.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述铝硅复合氧化物占PEO和锂盐总摩尔质量的1~40%。
9.根据权利要求1所述的固体聚合物电解质的制备方法,其特征在于所述黄色薄膜的厚度为100~150μm,薄片的直径为15.8mm。
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