CN112186261A - 通过原位聚合的聚酯类自支撑全固态电解质电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过原位聚合的聚酯类自支撑全固态电解质电池的方法，步骤如下：将甲基丙烯酸甲酯、碳酸甘油酯和催化剂添加到装有冷凝器的容器内得到混合物；混合物预热，将副产物蒸发并逐渐除去；升高反应温度到120℃反应12h，冷却至室温后，经过洗涤后获得甲基丙烯酸碳酸甘油酯MCA单体；在无水无氧的条件下将甲基丙烯酸碳酸甘油酯MCA单体与引发剂、交联剂、锂盐混合；将预聚物前体溶液预热4h，得到预聚物溶液；在无水无氧的环境中按照负极壳、弹簧垫片、垫片、负极、预聚物溶液组装电池，置于75‑85℃温度下预热12h以上，使得预聚物溶液形成电解质；在电解质中滴加预聚物溶液并将正极置于上侧，置于120℃温度下加热。
Description
技术领域
本发明涉及一种过原位聚合的聚酯类自支撑全固态电解质电池的方法。
背景技术
传统的锂离子电池中多用碳酸酯或醚等有机小分子作为电解液的溶剂，这些小分子溶剂易燃、易挥发、易泄漏，在撞击、过充、刺穿等情况下很容易发生燃烧和爆炸。为了解决传统液态电解质带来的一系列问题，因此聚合物电解质被广泛利用。聚合物锂离子电池具有塑形灵活、能量密度高、电化学稳定窗口宽、安全可靠、体积利用率高等优点。但是聚合物电解质仍然存在一些问题，比如，室温电导率较低、界面阻抗较大等。这是未来开发和利用聚合物锂离子电池需要改进的方向。原位聚合作为一种聚合方法可以在电极表面直接形成聚合物，相比于传统的固态电池的制备方法，无需再另外制备聚合物膜，并且形成的电解质与电极的界面相容性更好，此外由本体聚合得到的电解质的分子量更高，机械强度会更好，但是目前的原位电池的电解质都需要纤维素膜作支撑，无法实现自支撑效应，在此，第一次发明了一种过原位聚合的聚酯类自支撑全固态电解质电池的方法，由于原位聚合组装电池使得电池的界面阻抗得到极大的改善，由于采用本体聚合使得聚合度得到明显提高因此机械强度得到极大改善并达到了自支撑的效果并且由于这种方法的高产量使其有很大的商业应用前景。该种原位电解质有可能取代商用PEO电解质，开发高性能锂电池。
发明内容
本发明的目的在于克服固态电池界面阻抗大的问题，提供一种通过原位聚合的聚酯类自支撑全固态电解质电池的方法，该方法操作简单有效。制备的全固态电池表现出十分优异的放电电压和比容量，本发明采用以下技术方案：
一种通过原位聚合的聚酯类自支撑全固态电解质电池的方法，步骤如下：
1)将甲基丙烯酸甲酯、碳酸甘油酯和催化剂添加到装有冷凝器的容器内得到混合物；
2)混合物预热到75-85℃，将副产物蒸发并逐渐除去。
3)升高反应温度到120℃持续反应12h，冷却至室温后，经过洗涤后获得甲基丙烯酸碳酸甘油酯MCA单体；
4)在无水无氧的条件下将甲基丙烯酸碳酸甘油酯MCA单体与引发剂、交联剂、锂盐混合，得到预聚物前体溶液；
5)将预聚物前体溶液预热到75-85℃，保持4h以上，再冷却到室温并静置，得到预聚物溶液；
6)在无水无氧的环境中按照负极壳、弹簧垫片、垫片、负极、预聚物溶液组装电池，置于75-85℃温度下预热12h以上，使得预聚物溶液形成电解质；
7)在形成的电解质边缘覆盖绝缘隔膜以防止短路；确定合适的预聚物溶液滴加量，并在电解质中滴加预聚物溶液并将正极置于上侧，置于120℃温度下加热8h以上；
8)将正极壳放置在电池正极上并压紧得到原位聚合的自支撑全固态电解质电池。
投料的甲基丙烯酸甲酯与碳酸甘油酯摩尔比为5：1。
步骤3)中，用HCl洗涤，并用蒸馏水洗涤，再用无水MgSO 4吸收残留的水，得到甲基丙烯酸碳酸甘油酯MCA单体。
对于该方法，需合适的聚合温度和前体溶液的滴加量以找到最适合成膜的条件，本发明操作简单，成本低，产量高，而且后处理简单，制备成本低廉。可以通过原位聚合降低界面阻抗。根据所聚合温度和前体溶液滴加量的不同，所得的全固态电池的性能也会有所差异。
附图说明
图1 MCA的核磁共振氢谱图
图2原位全固态电池在25℃的循环比容量
图3原位全固态电池在25℃的循环效率
图4原位全固态电池在25℃的电压-容量图
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明技术方案进行说明。
本发明通过自由基聚合在组装电池的过程中在锂离子电池的负极和正极之间原位形成聚合物固态电解质薄膜，制备的薄膜具有高的机械强度和自支撑性，这种原位聚合组装制备的全固态锂离子电池具有界面阻抗小分子量高、力学强度大的优点，在室温下有良好的性能，有助于提高全固态锂离子电池的性能的优点；同时这种原位组装方法相比于传统的固态电池的组装更为方便，有利于工业化生产。
在实施例中使用的各种试剂为可使用的市售产品。
实施例1
1)将6.5ml甲基丙烯酸甲酯、1.5ml碳酸甘油酯和0.3g碳酸钾添加到装有冷凝器的圆底烧瓶中。本实施例选用的催化剂是碳酸钾，还可以使用氢氧化锂的作为催化剂。
2)混合物在80℃预热，并将副产物蒸发并在10小时内逐渐除去。
3)升高反应温度至120℃持续反应12h，冷却至室温后，用1mol/L HCl洗涤一次，并用蒸馏水洗涤三次。用无水MgSO 4吸收残留的水，得到MCA。
甲基丙烯酸碳酸甘油酯(MCA)的特征结构式如下：
4)在无水无氧的条件下将MCA、引发剂、交联剂、锂盐混合，得到预聚物前体溶液。本实施例中，在无水无氧的条件下将1.020mlMCA、0.02gBPO、0.030mlMBA、300mgLiTfSi混合，得到预聚物前体溶液。
5)将步骤4)得到的预聚体前体溶液在加热台上80℃预热4h，再冷却到室温静置30min，得到预聚体溶液。
6)在无水无氧的环境中按照负极壳、弹簧垫片、垫片、负极、0.075ml步骤5)制备的预聚体溶液安放电池，并放置于80℃加热台上12h，使得预聚体溶液形成电解质。
7)在形成的电解质边缘覆盖绝缘隔膜以防止短路，并在电解质中央滴0.01ml加步骤5)制备的预聚体溶液并将正极置于上侧，在加热台上120℃放置8h。
8)将正极壳放置在电池正极上并压紧得到原位聚合的自支撑全固态电解质电池。
实施例2
1)将6.5ml甲基丙烯酸甲酯、1.5ml碳酸甘油酯和0.3g碳酸钾添加到装有冷凝器的圆底烧瓶中。
2)混合物在80℃预热，并将副产物蒸发并在10小时内逐渐除去。
3)升高反应温度至120℃持续反应12h，冷却至室温后，用1mol/L HCl洗涤一次，并用蒸馏水洗涤三次。用无水MgSO4吸收残留的水，得到MCA液体。
4)在无水无氧的条件下将1.020mlMCA、0.03gBPO、0.060mlMBA、350mgLiTfSi混合，得到预聚物前体溶液。
5)将预聚体溶液在加热台上70℃预热6h，再冷却到室温静置30min，得到预聚体溶液
6)在无水无氧的环境中按照负极壳、弹簧垫片、垫片、负极、0.1ml步骤5)制备的预聚体溶液安放电池，并放置于80℃加热台上24h。
7)在形成的电解质边缘覆盖绝缘隔膜以防止短路，并在电解质中央滴加步骤5)制备的0.007ml预聚体溶液并将正极置于上侧，在加热台上120℃放置12h。
8)将正极壳放置在电池正极上并压紧得到原位聚合的自支撑全固态电解质电池。
本发明公开和提出一种通过原位聚合的聚酯类自支撑全固态电解质电池的方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (3)
1.一种通过原位聚合的聚酯类自支撑全固态电解质电池的方法，步骤如下：
1)将甲基丙烯酸甲酯、碳酸甘油酯和催化剂添加到装有冷凝器的容器内得到混合物；
2)混合物预热到75-85℃，将副产物蒸发并逐渐除去。
3)升高反应温度到120℃持续反应12h，冷却至室温后，经过洗涤后获得甲基丙烯酸碳酸甘油酯MCA单体；
4)在无水无氧的条件下将甲基丙烯酸碳酸甘油酯MCA单体与引发剂、交联剂、锂盐混合，得到预聚物前体溶液；
5)将预聚物前体溶液预热到75-85℃，保持4h以上，再冷却到室温并静置，得到预聚物溶液；
6)在无水无氧的环境中按照负极壳、弹簧垫片、垫片、负极、预聚物溶液组装电池，置于75-85℃温度下预热12h以上，使得预聚物溶液形成电解质；
7)在形成的电解质边缘覆盖绝缘隔膜以防止短路；确定合适的预聚物溶液滴加量，并在电解质中滴加预聚物溶液并将正极置于上侧，置于120℃温度下加热8h以上；
8)将正极壳放置在电池正极上并压紧得到原位聚合的自支撑全固态电解质电池。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，投料的甲基丙烯酸甲酯与碳酸甘油酯摩尔比为5：1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，用HCl洗涤，并用蒸馏水洗涤，再用无水MgSO 4吸收残留的水，得到甲基丙烯酸碳酸甘油酯MCA单体。
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