CN111477952A - 一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及制备方法及其在固态锂电池中的应用 - Google Patents

一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及制备方法及其在固态锂电池中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，其特征在于：所述此固态聚合物电解质包括丙烯酸酯、锂盐、引发剂；一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于：将丙烯酸酯和锂盐混合加入20ml的试剂瓶中，室温下搅拌30min，使得丙烯酸酯和锂盐混合均匀；在上述混合液中加入引发剂，室温下搅拌5min，使之混合均匀；将上述得到的混合液均匀浇筑在培养皿或多空刚性支撑材料上中；在80℃加热20min，使得丙烯酸酯在引发剂的引发下自聚合或与交联剂共聚，得到聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质。优点是：本发明制备方法简单，缩短制膜时间，节约了时间成本。

Description

一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及制备方法及其在固 态锂电池中的应用
技术领域
本发明涉及固态聚合物电解质，尤其涉及了一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，还涉及了一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质的制备方法，尤其涉及一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质在固态锂电池中的应用。
背景技术
伴随着锂电池在便携设备，智能设备等中的广泛应用，人们对锂电池的安全性能提出了更高的要求。传统锂电池中，电解液含有易挥发的易燃性碳酸酯溶液，存在漏液、着火、爆炸等安全隐患。凝胶锂电池中，其凝胶电解液主要成分(90％以上)依旧是商用电解液，因此，安全性不能从根本上得到解决。发展固态锂离子电池，用固态电解质取代液态电解质，是解决锂电池安全问题的有效途径。
目前研究的全固态锂离子电池，其电解质一般可以分为两类，一类是陶瓷、玻璃为主要材料的无机固态电解质；另一类是以高分子有机聚合物和锂盐络合体系组成的固态聚合物电解质。常见的固态聚合物电解质的基体包括聚醚类，聚碳酸酯类，聚丙烯酸酯类，聚腈类以及聚烯类。其中聚丙烯酸酯类材料具有较强的溶解锂盐的能力，含有的羰基和醚氧键也可以为提供锂离子传输通道，但是由于本身是一种高亲和力的聚合物，使得独立成膜性能差，导致难以大规模制备固态电解质。而官能团羰基，与碳酸酯类增塑剂中的氧有很强的作用能够包容大量的液体电解质，使得聚丙烯酸酯类材料常用于凝胶电解质中，但是安全性能无法得到保障。
因此，需要寻求一种新的技术来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是：针对上述不足，提供一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，以及一种简易，高效制备聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质薄膜的制备方法，以及聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质在固态锂电池中的应用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，所述此固态聚合物电解质包括丙烯酸酯、锂盐、引发剂，所述丙烯酸酯在此固态聚合物电解质中的占比为20-60％，所述锂盐在此固态聚合物电解质中的占比为10-50％。
为了得到机械强度高的全固态聚合物电解质，进一步的，固态聚合物电解质中还包括交联剂，所述交联剂包含聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、苯乙烯、三缩四乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或者几种，交联剂在聚合物固态电解质中占比为0-30％。
为了进一步提高全固态聚合物电解质的机械强度，固态聚合物电解质中还包括多孔刚性支撑材料，所述多孔刚性支撑材料包括无纺布、陶瓷多孔隔膜、玻璃纤维隔膜、PP、PE以及PP/PE复合隔膜中的一种。
为了提高全固态聚合物电解质的离子电导率，进一步的，固态聚合物电解质中还包括增塑剂，所述增塑剂包括碳酸酯类有机溶剂、醚类有机溶剂、砜类中的一种或者几种，其中碳酸酯类有机溶剂为碳酸丙烯酯或碳酸乙烯酯，其中醚类有机溶剂为如四乙二醇二甲醚，其中砜类为环丁砜，增塑剂在聚合物固态电解质中占比为0-40％。
所述丙烯酸酯为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯，或甲基丙烯酸乙酯。
所述锂盐包含高氯酸锂、三氟甲基磺酸锂、双(三氟甲基磺酸)亚胺锂、三(三氟甲基磺酸)甲基锂中的一种或者几种。
所述引发剂为偶氮类引发剂、过氧化物类引发剂中的一种，其中偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈，其中过氧化物类引发剂为过氧化二苯甲酰或过氧化十二酰，引发剂占的丙烯酸酯和交联剂总质量的0.3-1％。
一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质的制备方法，步骤一：将丙烯酸酯和锂盐混合加入20ml的试剂瓶中，室温下搅拌30min，使得丙烯酸酯和锂盐混合均匀；
步骤二：或在步骤二得到的混合液中加入交联剂或增塑剂中的一种或几种，后搅拌均匀；
步骤三：在上述混合液中加入引发剂，室温下搅拌5min，使之混合均匀；
步骤四：将上述得到的混合液均匀浇筑在培养皿或多空刚性支撑材料上中；
步骤五：在80℃加热20min，使得丙烯酸酯在引发剂的引发下自聚合或与交联剂共聚，得到聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质。
聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质在固态锂电池中的应用，所述固态锂电池由负极、聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及正极依次堆叠而成。
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果是：1、本发明提供的全固态聚合物电解质以高分子聚合物材料的单体作为原料，制备过程中省去了有毒溶剂(如NMP，DMF)的使用；2、本发明制备方法简单，缩短制膜时间，节约了时间成本；3、交联剂和支撑材料的引入可以极大提高电解质的机械强度，而增塑剂的添加可以提高电解质的离子电导率，组装的固态锂电池具有较低的阻抗和较高的容量发挥。
附图说明
图1为实施例二的电池充放电曲线；
图2为实施例三的电池充放电曲线；
图3为实施例二的电池充放电曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
本发明一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，所述此固态聚合物电解质包括丙烯酸酯、锂盐、引发剂，所述丙烯酸酯在此固态聚合物电解质中的占比为 60％，所述锂盐在此固态聚合物电解质中的占比为40％。
所述丙烯酸酯为甲基丙烯酸丁酯。
所述锂盐包含高氯酸锂。
所述引发剂为偶氮二异丁腈，引发剂占的丙烯酸酯和交联剂总质量的 0.3％。
一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质的制备方法，步骤一：将甲基丙烯酸丁酯和高氯酸锂混合加入20ml的试剂瓶中，室温下搅拌30min，使得甲基丙烯酸丁酯和高氯酸锂混合均匀；
步骤二：在上述混合液中加入偶氮二异丁腈，室温下搅拌5min，使之混合均匀；
步骤三：将上述得到的混合液均匀浇筑在培养皿；
步骤四：在80℃加热20min，使得甲基丙烯酸丁酯在偶氮二异丁腈的引发下自聚合，得到聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质。
聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质在固态锂电池中的应用，所述固态锂电池由负极、聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及正极依次堆叠而成。
实施例二：
为了得到机械强度高的全固态聚合物电解质，此固态聚合物电解质包括丙烯酸酯、锂盐、引发剂和交联剂，所述丙烯酸酯在此固态聚合物电解质中的占比为40％，所述锂盐在此固态聚合物电解质中的占比为40％，交联剂在此固态聚合物电解质中的占比为20％。
所述丙烯酸酯为甲基丙烯酸甲酯。
所述锂盐包含三氟甲基磺酸锂。
所述引发剂为偶氮二异庚腈，引发剂占的丙烯酸酯和交联剂总质量的 0.5％。
所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、苯乙烯、三缩四乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或者几种，优选为聚乙二醇二丙烯酸酯。
一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质的制备方法，步骤一：将甲基丙烯酸甲酯和三氟甲基磺酸锂混合加入20ml的试剂瓶中，室温下搅拌30min，使得甲基丙烯酸甲酯和三氟甲基磺酸锂混合均匀；
步骤二：在步骤二得到的混合液中加入聚乙二醇二丙烯酸酯，后搅拌均匀；
步骤三：在上述混合液中加入偶氮二异庚腈，室温下搅拌5min，使之混合均匀；
步骤四：将上述得到的混合液均匀浇筑在培养皿；
步骤五：在80℃加热20min，使得甲基丙烯酸甲酯与聚乙二醇二丙烯酸酯共聚合，得到聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质。
聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质在固态锂电池中的应用，所述固态锂电池由负极、聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及正极依次堆叠而成。
实施例三：
为了进一步提高全固态聚合物电解质的机械强度，此固态聚合物电解质包括丙烯酸酯、锂盐、引发剂、交联剂和多空刚性支撑材料，所述丙烯酸酯在此固态聚合物电解质中的占比为40％，所述锂盐在此固态聚合物电解质中的占比为40％，交联剂在此固态聚合物电解质中的占比为20％。
所述丙烯酸酯为甲基丙烯酸乙酯。
所述锂盐包含双(三氟甲基磺酸)亚胺锂。
所述引发剂为过氧化二苯甲酰，引发剂占的丙烯酸酯和交联剂总质量的 0.7％。
所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、苯乙烯、三缩四乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或者几种，优选为苯乙烯。
所述多空刚性支撑材料为陶瓷多孔隔膜。
一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质的制备方法，步骤一：将甲基丙烯酸乙酯和双(三氟甲基磺酸)亚胺锂混合加入20ml的试剂瓶中，室温下搅拌 30min，使得甲基丙烯酸乙酯和双(三氟甲基磺酸)亚胺锂混合均匀；
步骤二：在步骤二得到的混合液中加入苯乙烯，后搅拌均匀；
步骤三：在上述混合液中加入过氧化二苯甲酰，室温下搅拌5min，使之混合均匀；
步骤四：将上述得到的混合液均匀浇筑在陶瓷多孔隔膜；
步骤五：在80℃加热20min，使得甲基丙烯酸丁酯在过氧化二苯甲酰的引发下自聚合，得到聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质。
聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质在固态锂电池中的应用，所述固态锂电池由负极、聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及正极依次堆叠而成。
实施例四：
为了提高全固态聚合物电解质的离子电导率，此固态聚合物电解质包括丙烯酸酯、锂盐、引发剂、交联剂、多空刚性支撑材料和增塑剂，所述丙烯酸酯在此固态聚合物电解质中的占比为30％，所述锂盐在此固态聚合物电解质中的占比为30％，交联剂在此固态聚合物电解质中的占比为20％，所述增塑剂在此聚合物电解质中的占比为20％。
所述丙烯酸酯为甲基丙烯酸乙酯。
所述锂盐包含三(三氟甲基磺酸)甲基锂。
所述引发剂为过氧化十二酰，引发剂占的丙烯酸酯和交联剂总质量的1％。
所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、苯乙烯、三缩四乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或者几种，优选为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
所述多空刚性支撑材料为陶瓷多孔隔膜。
所述增塑剂为碳酸酯类有机溶剂、醚类有机溶剂、砜类中的一种或者几种，其中碳酸酯类有机溶剂为碳酸丙烯酯或碳酸乙烯酯，其中醚类有机溶剂为如四乙二醇二甲醚，其中砜类为环丁砜，优选的增塑剂为碳酸丙烯酯。
一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质的制备方法，步骤一：将甲基丙烯酸乙酯和三(三氟甲基磺酸)甲基锂混合加入20ml的试剂瓶中，室温下搅拌 30min，使得甲基丙烯酸乙酯和三(三氟甲基磺酸)甲基锂混合均匀；
步骤二：在步骤二得到的混合液中加入苯乙烯，后搅拌均匀；
步骤三：在上述混合液中加入过氧化二苯甲酰和碳酸丙烯酯，室温下搅拌 5min，使之混合均匀；
步骤四：将上述得到的混合液均匀浇筑在陶瓷多孔隔膜；
步骤五：在80℃加热20min，使得甲基丙烯酸乙酯在甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的引发下自聚合，得到聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质。
聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质在固态锂电池中的应用，所述固态锂电池由负极、聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及正极依次堆叠而成。
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果是：1、本发明提供的全固态聚合物电解质以高分子聚合物材料的单体作为原料，制备过程中省去了有毒溶剂(如NMP，DMF)的使用；2、本发明制备方法简单，缩短制膜时间，节约了时间成本；3、交联剂和支撑材料的引入可以极大提高电解质的机械强度，而增塑剂的添加可以提高电解质的离子电导率，组装的固态锂电池具有较低的阻抗和较高的容量发挥。
实施例五：
聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质固态锂电池的制备：将活性主材、导电炭黑、粘结剂PVDF按质量比80：10：10混合，添加溶剂NMP搅拌至均匀浆料，用刮刀法将其涂布到铝箔上，90℃干燥12h后裁成12mm电极片，放置于90℃的真空箱干燥12h待用，以金属锂为负极，自制复合固态电解质组装扣式电池。
实施例六：
电解质性能表征
(1)膜的厚度测量：采用千分尺(精确到0.001mm)测量固态电解质的厚度，任意取三个点，求平均值。
(2)离子电导率测试：在充满氩气的手套箱中组装对称阻塞型电池 SS/CSE/SS测量体系，以电化学工作站测量30℃的交流阻抗，通过公式σ＝l/(R·S)计算电解质的电导率。
(3)电化学窗口测试；以不锈钢为工作正极、金属锂为对电极和参比电极，将固态电解质夹于中间组装电池，电池在30℃下静置6h以上，通过电化学工作站进行线形扫描伏安法测试，线形扫描伏安法测试的测试电压范围为2.5 ～6.0V(vs Li+/Li)，扫描速率为1mV s-1，测试结果参见表1。
Figure BDA0002455660760000091
实施例七：
(2)电池性能测试方法
以LAND电池程控测试仪测试电池的充放电曲线。
在30℃，0.2C倍率下，采用实施例2的复合固态电解质组装的磷酸铁锂/ 锂金属电池的充放电曲线平稳，0.2C放电容量达到156mAh/g；
在30℃，0.2C倍率下，采用实施例3的复合固态电解质组装的钴酸锂/锂金属电池的充放电曲线平稳，0.2C放电容量达到161mAh/g；
在30℃，0.2C倍率下，采用实施例4的复合固态电解质组装的富锂锰基固溶体/锂金属电池的充放电曲线平稳，0.2C放电容量达到213mAh/g
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，其特征在于：所述此固态聚合物电解质包括丙烯酸酯、锂盐、引发剂、多孔刚性支撑材料，所述丙烯酸酯在此固态聚合物电解质中的占比为20-60％，所述锂盐在此固态聚合物电解质中的占比为10-50％。
2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，其特征在于：固态聚合物电解质中还包括交联剂，所述交联剂包含聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、苯乙烯、三缩四乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或者几种，交联剂在聚合物固态电解质中占比为0-30％。
3.根据权利要求2所述的一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，其特征在于：所述多孔刚性支撑材料包括无纺布、陶瓷多孔隔膜、玻璃纤维隔膜、PP、PE以及PP/PE复合隔膜中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，其特征在于：固态聚合物电解质中还包括增塑剂，所述增塑剂包括碳酸酯类有机溶剂、醚类有机溶剂、砜类中的一种或者几种，其中碳酸酯类有机溶剂为碳酸丙烯酯或碳酸乙烯酯，其中醚类有机溶剂为如四乙二醇二甲醚，其中砜类为环丁砜，增塑剂在聚合物固态电解质中占比为0-40％。
5.根据权利要求1所述的一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，其特征在于：所述丙烯酸酯为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯，或甲基丙烯酸乙酯。
6.根据权利要求1所述的一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，其特征在于：所述锂盐包含高氯酸锂、三氟甲基磺酸锂、双(三氟甲基磺酸)亚胺锂、三(三氟甲基磺酸)甲基锂中的一种或者几种。
7.根据权利要求2所述的一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质，其特征在于：所述引发剂为偶氮类引发剂、过氧化物类引发剂中的一种，其中偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈，其中过氧化物类引发剂为过氧化二苯甲酰或过氧化十二酰，引发剂占的丙烯酸酯和交联剂总质量的0.3-1％。
8.一种聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于：步骤一：将丙烯酸酯和锂盐混合加入20ml的试剂瓶中，室温下搅拌30min，使得丙烯酸酯和锂盐混合均匀；
步骤二：或在步骤二得到的混合液中加入交联剂或增塑剂中的一种或几种，后搅拌均匀；
步骤三：在上述混合液中加入引发剂，室温下搅拌5min，使之混合均匀；
步骤四：将上述得到的混合液均匀浇筑在培养皿或多空刚性支撑材料上中；
步骤五：在80℃加热20min，使得丙烯酸酯在引发剂的引发下自聚合或与交联剂共聚，得到聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质。
9.聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质在固态锂电池中的应用，其特征在于：所述固态锂电池由负极、聚丙烯酸酯类固态聚合物电解质以及正极依次堆叠而成。
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