CN110400965A - 一种锂离子电池用固态电解质多层膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用固态电解质多层膜，包括固态电解质层和有机聚合物层，所述固态电解质层的上下两侧均设有有机聚合物层。本发明替代传统聚烯烃类隔膜，提高了锂离子传输速率，提高锂电池的倍率性能；固态电解质膜在高温下热收缩性能优异，提高了电池的安全性能；相较于传统复合固态电解质膜，增加了固态电解质的比例，提高了电导率，提高电池的倍率性能；三层复合结构固态电极质膜两侧的有机聚合物材料在锂电池中可以粘结正负极，使电芯更加牢固，增加了电芯在运输及使用过程中的安全性。

Description

一种锂离子电池用固态电解质多层膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其是一种锂离子电池用固态电解质多层膜及其制备方法。
背景技术
锂离子电池因能量密度高、循环寿命长以及环境友好等特点被广泛应用于移动通信设备、笔记本电脑、数码相机等电子产品中，并逐渐在电动交通工具以及储能领域发挥作用。目前应用最多的商业化锂离子电池是使用正、负极片、液态电解液以及聚烯烃隔膜等材料组装而成。由于液态电解液易燃易爆，且聚烯烃隔膜受热易收缩或融化，易导致电池短路爆炸，影响了锂离子电池的安全性。固态电解质兼具液态电解液的离子导电性以及聚烯烃隔膜的电子绝缘性，可同时替代液态电解液以及聚烯烃隔膜，从而大大提高电池的安全性能。另外，使用固体电解质膜可降低锂枝晶导致的短路风险，使得金属锂作为锂离子电池负极材料成为可能，从而大大提高锂离子电池的能量密度。目前对于固态电解质的研究，主要有三个类别：一是有机聚合物电解质，二是无机固体电解质，三是有机聚合物与无机固体电解质复合而成的复合电解质。
有机聚合物电解质的电池易加工，可基本沿用现有的锂离子电池工艺，但是室温电导率低。无机固体电解质的室温电导率较高，但是材料成本较高，且电池工艺复杂，需要开发很多全新的电池生产设备，导致成本进一步升高。复合电解质膜具备有机聚合物电解质的易加工性能，并可一定程度上提高室温电导率，但是存在机械强度差导致膜容易破裂造成电池短路、与正负极界面相容性较差导致电池内阻较高、循环性能差的缺点，且室温电导率也有待进一步提高。现有复合固态电解质膜中固态电解质含量偏低，有机聚合物含量偏高，增加了电池的内阻，导致电池的倍率性能偏低，不利于电池的快速充放电。针对以上这些问题，在这里我们提出一种锂离子电池用固态电解质多层膜及其制备方法。
发明内容
本发明针对现有的锂电池电解质膜功能性等技术上的不足，提供了一种锂离子电池用固态电解质多层膜及其制备方法。
本发明为解决上述技术不足，采用改性的技术方案，一种锂离子电池用固态电解质多层膜，包括固态电解质层和有机聚合物层，所述固态电解质层的上下两侧均设有有机聚合物层。
作为本发明的进一步优选方式，所述固态电解质层包括固态电解质，有机聚合物和助剂，其中固态电解质的比例为60-95％，有机聚合物比例为5-40％，助剂比例为0-10％；所述固态电解质层的厚度为5-30um。
作为本发明的进一步优选方式，所述有机聚合物层包括有机聚合物，固态电解质，助剂，其中有机聚合物比例为0-100％,固态电解质比例为0-20％，助剂比例为0-20％；所述有机聚合物层厚度为1-5um。
作为本发明的进一步优选方式，所述固态电解质包括：锂镧钛氧，锂镧锆钽氧，锂镧锆氧，锂磷氧氮，以及Li3PS4硫化物固态电解质。
作为本发明的进一步优选方式，所述有机聚合物材料设为聚偏氟乙烯，聚氟乙烯，聚乙烯，聚丙烯，包括一种或多种构成的混合物。
作为本发明的进一步优选方式，所述助剂包括聚甲基丙烯酸甲酯增塑剂和锂盐，所述锂盐包括LiTFSI和LiFSI。
作为本发明的进一步优选方式，制作工艺步骤如下：
S1,首先使用多层共挤成膜设备，将多层膜结构层中不同层所需要的原材料，加入到多层共挤成膜设备的不同螺杆挤出机中；
S2,熔融分散后，通过螺杆挤出机的模头挤出，同时在冷却辊上压延冷却，得到所述固态电解质膜。
本发明所达到的有益效果是：替代传统聚烯烃类隔膜，提高了锂离子传输速率，提高锂电池的倍率性能；固态电解质膜在高温下热收缩性能优异，提高了电池的安全性能；相较于传统复合固态电解质膜，增加了固态电解质的比例，提高了电导率，提高电池的倍率性能；三层复合结构固态电极质膜两侧的有机聚合物材料在锂电池中可以粘结正负极，使电芯更加牢固，增加了电芯在运输及使用过程中的安全性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种锂离子电池用固态电解质多层膜，包括固态电解质层和有机聚合物层，所述固态电解质层的上下两侧均设有有机聚合物层。
所述固态电解质层包括固态电解质，有机聚合物和助剂，其中固态电解质的比例为60-95％，有机聚合物比例为5-40％，助剂比例为0-10％；所述固态电解质层的厚度为5-30um。
所述有机聚合物层包括有机聚合物，固态电解质，助剂，其中有机聚合物比例为0-100％,固态电解质比例为0-20％，助剂比例为0-20％；所述有机聚合物层厚度为1-5um。
所述固态电解质包括：锂镧钛氧，锂镧锆钽氧，锂镧锆氧，锂磷氧氮，以及Li3PS4硫化物固态电解质。
所述有机聚合物材料设为聚偏氟乙烯，聚氟乙烯，聚乙烯，聚丙烯，包括一种或多种构成的混合物。
所述助剂包括聚甲基丙烯酸甲酯增塑剂和锂盐，所述锂盐包括LiTFSI和LiFSI。
制作工艺步骤如下：
S1,首先使用多层共挤成膜设备，将多层膜结构层中不同层所需要的原材料，加入到多层共挤成膜设备的不同螺杆挤出机中；
S2,熔融分散后，通过螺杆挤出机的模头挤出，同时在冷却辊上压延冷却，得到所述固态电解质膜。
实施例1
固态电解质层的原料占比锂镧钛氧40份，锂镧锆钽氧10份，锂镧锆氧15份，锂磷氧氮15份，Li3PS4 5份，聚偏氟乙烯5份，聚氟乙烯5份，聚甲基丙烯酸甲酯5份；
有机聚合物层的原料占比锂镧钛氧20份，锂镧锆钽氧5份，锂镧锆氧15份，锂磷氧氮15份，Li3PS4 10份，聚偏氟乙烯15份，聚丙烯5份，聚甲基丙烯酸甲酯15份。
先按原料各组份比例及配方比例称取各组份；
先使用多层共挤成膜设备，将多层膜结构层中不同层所需要的原材料，加入到多层共挤成膜设备的不同螺杆挤出机中；
然后熔融分散后，通过螺杆挤出机的模头挤出，同时在冷却辊上压延冷却，得到所述固态电解质膜。
实施例2
固态电解质层的原料占比锂镧钛氧30份，锂镧锆钽氧5份，锂镧锆氧15份，锂磷氧氮10份，Li3PS4 10份，聚乙烯15份，聚丙烯5份，聚甲基丙烯酸甲酯10份；
有机聚合物层的原料占比锂镧钛氧15份，锂镧锆钽氧15份，锂镧锆氧15份，锂磷氧氮10份，Li3PS4 10份，聚偏氟乙烯10份，聚乙烯10份，聚甲基丙烯酸甲酯15份。
先按原料各组份比例及配方比例称取各组份；
先使用多层共挤成膜设备，将多层膜结构层中不同层所需要的原材料，加入到多层共挤成膜设备的不同螺杆挤出机中；
然后熔融分散后，通过螺杆挤出机的模头挤出，同时在冷却辊上压延冷却，得到所述固态电解质膜。
综上，本发明替代传统聚烯烃类隔膜，提高了锂离子传输速率，提高锂电池的倍率性能；固态电解质膜在高温下热收缩性能优异，提高了电池的安全性能；相较于传统复合固态电解质膜，增加了固态电解质的比例，提高了电导率，提高电池的倍率性能；三层复合结构固态电极质膜两侧的有机聚合物材料在锂电池中可以粘结正负极，使电芯更加牢固，增加了电芯在运输及使用过程中的安全性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种锂离子电池用固态电解质多层膜，其特征在于：包括固态电解质层和有机聚合物层，所述固态电解质层的上下两侧均设有有机聚合物层。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用固态电解质多层膜，其特征在于，所述固态电解质层包括固态电解质，有机聚合物和助剂，其中固态电解质的比例为60-95％，有机聚合物比例为5-40％，助剂比例为0-10％；所述固态电解质层的厚度为5-30um。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用固态电解质多层膜，其特征在于，所述有机聚合物层包括有机聚合物，固态电解质，助剂，其中有机聚合物比例为0-100％,固态电解质比例为0-20％，助剂比例为0-20％；所述有机聚合物层厚度为1-5um。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用固态电解质多层膜，其特征在于，所述固态电解质包括：锂镧钛氧，锂镧锆钽氧，锂镧锆氧，锂磷氧氮，以及Li3PS4硫化物固态电解质。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用固态电解质多层膜，其特征在于，所述有机聚合物材料设为聚偏氟乙烯，聚氟乙烯，聚乙烯，聚丙烯，包括一种或多种构成的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用固态电解质多层膜，其特征在于，所述助剂包括聚甲基丙烯酸甲酯增塑剂和锂盐，所述锂盐包括LiTFSI和LiFSI。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用固态电解质多层膜的制备方法，其特征在于：制作工艺步骤如下：
S1,首先使用多层共挤成膜设备，将多层膜结构层中不同层所需要的原材料，加入到多层共挤成膜设备的不同螺杆挤出机中；
S2,熔融分散后，通过螺杆挤出机的模头挤出，同时在冷却辊上压延冷却，得到所述固态电解质膜。
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