CN111009686A - 一种含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质及其制备方法 - Google Patents

一种含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质及其制备方法，其由锂盐和聚偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物组成，其中锂盐的含量大于50wt.％，包括有以下步骤：(1)将聚偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物、锂盐和溶剂混合均匀，得到前驱体溶液；(2)将前驱体溶液涂覆在干净平滑的基板上，在通风条件下成膜，最后真空烘干得到全固态聚合物电解质。本发明的全固态聚合物电解质制备简单、成本较低，室温离子电导率高，电化学窗口高，锂离子迁移数高，可作为锂离子电池的电解质使用。

Description

一种含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、环境污染小等优点，已广泛应用于消费类电子产品，如智能手机、笔记本电脑等，甚至开始应用于新能源汽车和大型储能电站。锂离子电池由正极、负极和电解质组成。目前，采用液态电解质的锂离子电池不仅存在漏液和自燃等安全问题，而且能量密度也受到限制。采用固态电解质的锂离子电池不仅能解决安全问题，而且有望提高能量密度。固态电解质可分为无机固态电解质和聚合物电解质。其中，聚合物电解质成本较低、制备更简单，并且可制成任意形状满足供电设备的需求，是锂离子电池领域的研究热点。
传统的全固态聚合物电解质由聚合物基体和锂盐组成，其中锂盐含量较低。由于这类聚合物电解质室温离子电导率低而难以达到实际应用的标准。
为了提高室温离子电导率，现在的聚合物电解质还含有一些添加剂，可分为液态添加剂和高离子导电性的无机陶瓷添加剂，相应地聚合物电解质分为凝胶(准固态)聚合物电解质和复合聚合物电解质。相关专利技术有：CN 104952634A公开了一种以高分子聚合物为基体，离子液体为分散剂，锂盐为导电介质，采用冷冻干燥法制备了一种新型离子液体-锂盐凝胶聚合物电解质；CN 110034328A公开了一种混合聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰基)亚胺和二(三氟甲基磺酸)亚胺锂的1，3-二氧戊烷/乙二醇二甲醚混合溶液的离子液体聚合物凝胶电解质。CN 106654363A公开了一种由有机微纳米多孔颗粒、具有导离子能力的聚合物和锂盐复合的全固态聚合物电解质；CN109417189A公开了由离子导电聚合物、锂盐、离子导电陶瓷和介电常数至少为约50的介电材料混成制备的复合电解质。CN 106602138A公开了一种添加高浓度锂盐的固态聚合物电解质。该固态聚合物电解质的组分包括固态聚碳酸酯、锂盐、无机填料和/或快离子导体。
以上专利虽然提高了聚合物电解质的室温离子导电率，但是加入的添加剂提高了制备成本，增加了制备工序，延长了制备周期，降低了制备效率。此外，凝胶聚合物电解质由于含有液态成分，其安全性大大降低；复合聚合物电解质由于使用的是微纳米的无机填料，其制备难度较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提出了一种含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质及其制备方法，从而提高全固态聚合物电解质的室温离子导电率。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：一种含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质，其由锂盐和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物组成，其中锂盐的含量大于50wt.％。
按上述方案，所述锂盐为双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、四氢硼酸锂(LiBF4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)中的一种或几种的混合。
上述的全固态聚合物电解质，其室温离子电导率达到1.2×10-4S cm-1；电化学窗口达到4.7V以上；锂离子迁移数(tLi+)达到0.5以上；具有较好的柔性和一定刚性。
本发明采用溶液浇铸法制备所述全固态聚合物电解质，包括有以下步骤：
(1)将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、锂盐和溶剂混合均匀，得到前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液涂覆在干净平滑的基板上，在通风条件下成膜，最后真空烘干得到全固态聚合物电解质。
按上述方案，所述溶剂为乙腈、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种的混合。
本发明的全固态聚合物电解质制备简单、成本较低，室温离子电导率高，电化学窗口高，锂离子迁移数高，可作为锂离子电池的电解质使用。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的高浓度锂盐的全固态聚合物电解质的SEM照片；
图2是本发明实施例1制备的高浓度锂盐的全固态聚合物电解质的光学照片；
图3是本发明实施例1制备的高浓度锂盐的全固态聚合物电解质的热力学性能图；
图4是本发明实施例1制备的高浓度锂盐的全固态聚合物电解质的应力-应变图；
图5是本发明实施例1制备的高浓度锂盐的全固态聚合物电解质的电化学窗口图(锂/不锈钢片电池)；
图6是本发明实施例1制备的高浓度锂盐的全固态聚合物电解质的锂离子迁移数图(锂对称电池)。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
52wt.％锂盐的全固态聚合物电解质制备
将1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯、1.1g锂盐LiTFSI和5g溶剂N,N-二甲基甲酰胺加入到试剂瓶中，65℃搅拌6h获得均匀溶液。将该混合溶液浇铸到干净的玻璃板上，用刮刀刮成膜，通风条件下干燥16h，60℃真空干燥24h除去残留溶剂，得到厚度100μm的全固态聚合物电解质。
对本实施例的全固态聚合物电解质进行形貌、力学和热稳定分析。
图1表明本实施例的全固态聚合物电解质中锂盐均匀分散在聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物中。
图2表明本实施例的全固态聚合物电解质具有柔性。
图3表明本实施例的全固态聚合物电解质热分解温度为330℃。
图4表明本实施例的全固态聚合物电解质最大拉伸强度为2.5MPa。
用本实施例的全固态聚合物电解质组装锂/不锈钢片扣式电池，测得电化学窗口为4.7V；组装锂对称电池，测得锂离子迁移数为0.5。
实施例2
55wt.％锂盐的全固态聚合物电解质制备
将1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯、1.2g锂盐LiTFSI和5g溶剂N,N-二甲基甲酰胺加入到试剂瓶中，65℃搅拌6h获得均匀溶液。将该混合溶液浇铸到干净的玻璃板上，用刮刀刮成膜，通风条件下干燥16h，60℃真空干燥24h除去残留溶剂，得到厚度100μm的全固态聚合物电解质。
实施例3
60wt.％锂盐的全固态聚合物电解质制备
将1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯、1.5g锂盐LiTFSI和5g溶剂N,N-二甲基甲酰胺加入到试剂瓶中，65℃搅拌6h获得均匀溶液。将该混合溶液浇铸到干净的玻璃板上，用刮刀刮成膜，通风条件下干燥16h，60℃真空干燥24h除去残留溶剂，得到厚度100μm的全固态聚合物电解质。
对比例1 17wt.％锂盐的全固态聚合物电解质制备
将1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯、0.2g锂盐LiTFSI和5g溶剂N,N-二甲基甲酰胺加入到试剂瓶中，65℃搅拌6h获得均匀溶液。将该混合溶液浇铸到干净的玻璃板上，用刮刀刮成膜，通风条件下干燥16h，60℃真空干燥24h除去残留溶剂，得到厚度100μm的全固态聚合物电解质。
对比例2 33wt.％锂盐的全固态聚合物电解质制备
将1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯、0.5g锂盐LiTFSI和5g溶剂N,N-二甲基甲酰胺加入到试剂瓶中，65℃搅拌6h获得均匀溶液。将该混合溶液浇铸到干净的玻璃板上，用刮刀刮成膜，通风条件下干燥16h，60℃真空干燥24h除去残留溶剂，得到厚度100μm的全固态聚合物电解质。
对比例3 44wt.％锂盐的全固态聚合物电解质制备
将1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯、0.8g锂盐LiTFSI和5g溶剂N,N-二甲基甲酰胺加入到试剂瓶中，65℃搅拌6h获得均匀溶液。将该混合溶液浇铸到干净的玻璃板上，用刮刀刮成膜，通风条件下干燥16h，60℃真空干燥24h除去残留溶剂，得到厚度100μm的全固态聚合物电解质。
室温离子电导率测试结果如下：
项目 室温离子电导率S cm<sup>-1</sup>
实施例1 1.2×10<sup>-4</sup>
实施例2 1.6×10<sup>-4</sup>
实施例3 2.1×10<sup>-4</sup>
对比例1 2.7×10<sup>-5</sup>
对比例2 3.9×10<sup>-5</sup>
对比例3 5.6×10<sup>-5</sup>
由以上数据可以看出锂盐含量超过50wt.％(实施例1，实施例2和实施例3)时，对应的全固态聚合物电解质室温离子电导率超过10-4S cm-1，均高于锂盐含量小于50wt.％的全固态聚合物电解质。
实施例1获得的全固态聚合物电解质在不同温度下的离子电导率测试结果如下：
Figure BDA0002334594400000041
Figure BDA0002334594400000051

Claims (4)

1.一种含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质，其由锂盐和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物组成，其中锂盐的含量大于50wt.％。
2.根据权利要求1所述的全固态聚合物电解质，其特征在于：所述锂盐为双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、四氢硼酸锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂中的一种或几种的混合。
3.权利要求1所述的含高浓度锂盐的全固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：
(1)将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、锂盐和溶剂混合均匀，得到前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液涂覆在干净平滑的基板上，在通风条件下成膜，最后真空烘干得到全固态聚合物电解质。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂为乙腈、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种的混合。
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