CN112436184A - 自催化凝胶聚合物电解质及其制备方法、应用 - Google Patents

自催化凝胶聚合物电解质及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，由多元醇胺、链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体进行聚合反应，获得三维交联骨架聚合物，并在三维交联骨架聚合物固化前加入电解液反应得到交联网状结构的自催化凝胶聚合物电解质。一种自催化凝胶聚合物电解质，由上述制备方法所制得。一种自催化凝胶聚合物电解质在二次锂离子电池中的应用。对分子链段及聚合物分子结构进行设计，采用廉价易得的两类原料，可简单快速的方法合成自催化凝胶聚合物电解质，该凝胶电解质通过多元醇胺自身催化，向在三维交联骨架聚合物中交联加入电解液，对电解液形成很好的包裹，使所得产物具有很高的离子导电率，达到较好的倍率性能及循环稳定性。

Description

自催化凝胶聚合物电解质及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及二次电池技术领域，具体涉及一种自催化凝胶聚合物电解质及其制备方法、应用。
背景技术
二次锂离子电池以其高的能量密度在能量存储技术中占据越来越重要的地位。自1991年进入市场后，已广泛应用于便携式电子设备领域，近年来，随着电池技术的发展与新能源领域的兴起，锂离子电池在新兴能源领域展现出了极大的发展前景。目前，二次锂离子电池作为动力电池在电动汽车上的广泛应用，随之暴露出的安全问题已愈加突出，近几年，新能源汽车自燃引起大量关注，归根结底是电池自身材料的不稳定性导致的。
商用锂离子电池具有低闪点、低燃点的有机溶剂，易燃易爆易泄露，电池在短路、过充、受热、受猛烈撞击等极端情况下极易起火燃烧甚至爆炸，给用户的财产安全带来巨大损失，也严重地制约了其在某些领域特别是在电动汽车领域的推广应用。因此尽快实现液态锂离子电池到固态锂电池的转变是解决动力电池安全性能和能量密度的重要途径之一。
固态电解质包括凝胶电解质、全固态电解质、半固态电解质，目前能够用于商业化的电解质为凝胶电解质和半固态电解质。凝胶电解质主要有PEO(聚乙二醇)、聚硅氧烷基固态电解质、PAN(聚丙烯腈)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、单离子导体聚合物电解质、离子液体等凝胶聚合物电解质体系；全固态聚合物电解质离子电导率偏低，但其成型容易，更适宜大规模生产；而无机固态电解质在较宽温度范围内能保持化学稳定性，并且机械强度更好，室温离子电导率更高，但其脆性较大，加工性能不好，要想实现其规模化量产存在巨大挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自催化凝胶聚合物电解质及其制备方法、应用，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：
由多元醇胺、链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体进行聚合反应，获得三维交联骨架聚合物，并在三维交联骨架聚合物固化前加入电解液反应得到交联网状结构的自催化凝胶聚合物电解质。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，多元醇胺为具有多个羟基基团结构的化合物。
进一步，多元醇胺为三羟甲丙烷三聚丙二醇醚、1,3-双(三羟甲基(甲基氨基))丙烷、双(三羟甲基)丙烷或三乙醇胺。
进一步，链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体的数均分子量为700～3000Da。
进一步，链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体中异氰酸酯基团与多元醇胺中胺基基团的摩尔比例为2.2～3.5。
进一步，三维交联骨架聚合物占电解液的质量百分比为2％～35％。
进一步，链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体与多元醇胺进行聚合反应时，先添溶剂或电解液对链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体进行稀释。
进一步，溶剂为电解液溶剂成分，包括但不限于碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸乙烯酯，碳酸甲乙酯，碳酸丙烯酯，碳酸亚乙烯酯，亚硫酸丙烯酯，氟代碳酸乙烯酯，二乙氧基甲烷，二氟乙酸甲酯，二氟乙酸乙酯，1,3-二氧环戊烷中的一种。
一种自催化凝胶聚合物电解质，由上述制备方法所制得。
一种上述制备方法所制得的自催化凝胶聚合物电解质在二次锂离子电池中的应用。
本发明的有益效果是：
对分子链段及聚合物分子结构进行设计，采用廉价易得的两类原料，可简单快速的方法合成自催化凝胶聚合物电解质，该凝胶电解质通过多元醇胺自身催化，向在三维交联骨架聚合物中交联加入电解液，对电解液形成很好的包裹，使所得产物具有很高的离子导电率，达到较好的倍率性能及循环稳定性，作为一种特殊的物质形态，凝胶聚合物既不是液体也不是固体，这种二元性保证了凝胶既具有隔膜的电子绝缘性，也具有液体电解质扩散传输物质的性质，此类电池不仅具有液态锂离子电池的高电压、长寿命以及清洁无污染等特点，电池因内部结构的变化而具备了液态电池所不具有的一些性质：凝胶聚合物将电解液裹住形成弹性较好的凝胶，提高界面兼容性，可以解决传统锂离子电池在使用过程中可能出现的漏液、易燃和爆炸等问题，显著提高了锂离子电池的安全性能，另外，凝胶聚合物锂离子电池还体现出成本低廉、有利于发展形状可控等一系列优点；
本发明提供的自催化凝胶聚合物电解质可应用于NCM三元锂离子电池、LFP锂离子电池等其他类型锂离子二次电池中，具有优异的电化学性能；
多元醇胺催化的原理为通过原子层级别孤对电子进行催化，促使催化完全，多元醇胺的加入减少了副反应的产生。
附图说明
图1为自催化凝胶聚合物电解质的合成技术路线图；
图2为自催化凝胶聚合物电解质的实物图；
图3为纽扣电池阻抗图；
图4为纽扣电池阻抗图；
图5为LFP凝胶软包电池电化学性能表现图；
图6为三元凝胶软包电池电化学性能表现；
图7为软包电池实际固化效果；
图8为充放100cycles正负极SEM截面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：
由多元醇胺、链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体进行聚合反应，获得三维交联骨架聚合物，并在三维交联骨架聚合物固化前加入电解液反应得到交联网状结构的自催化凝胶聚合物电解质，通过将电解液包裹其中，使其具有高电导率，可以使得在达到相同电化学性能的基础上，减少电池注液量，提高安全性和能量密度，整个反应过程无需催化剂。
多元醇胺为具有多个羟基基团结构的化合物，其具体可为三羟甲丙烷三聚丙二醇醚、1,3-双(三羟甲基(甲基氨基))丙烷、双(三羟甲基)丙烷或三乙醇胺。
链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体的数均分子量为700～3000Da。
另外，链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体中异氰酸酯基团与多元醇胺中胺基基团的摩尔比例为2.2～3.5。
三维交联骨架聚合物占电解液的质量百分比为2％～35％。
链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体与多元醇胺进行聚合反应时，先添溶剂或电解液对链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体进行稀释。
若添加溶剂，那么溶剂为电解液溶剂成分，包括但不限于碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸乙烯酯，碳酸甲乙酯，碳酸丙烯酯，碳酸亚乙烯酯，亚硫酸丙烯酯，氟代碳酸乙烯酯，二乙氧基甲烷，二氟乙酸甲酯，二氟乙酸乙酯，1,3-二氧环戊烷中的一种。
一种自催化凝胶聚合物电解质，由上述制备方法所制得。
一种上述制备方法所制得的自催化凝胶聚合物电解质在二次锂离子电池中的应用。
实施例1
一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：
以6mmol链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体为基准，可按等比扩大，此时其它成分的添加量分别为：用于稀释链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体的溶剂或电解液的量为10mL，三乙醇胺的量为4mmol,电解液为20-300mL；
将6mmol链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体加入反应容器，添加10mL溶剂或电解液，800rmp搅拌，以降低链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体的黏度，再向其中加入4mmol三乙醇胺，继续搅拌5min，进行聚合反应，并在固化前加入20-300mL电解液，充分搅拌均匀，常温放置一段时间，得到交联网状结构的自催化凝胶聚合物电解质。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例提供的通过使用两类廉价易得原料，可简单快速的方法合成自催化凝胶聚合物电解质，该凝胶电解质通过三乙醇胺自身催化，向在三维交联骨架聚合物中交联加入电解液，对电解液形成很好的包裹，使所得产物具有很高的离子导电率，同时，本发明实施例提供的自催化凝胶聚合物电解质可应用于NCM三元锂离子电池、LFP锂离子电池等其他类型锂离子二次电池中，具有优异的电化学性能。
电导率μS/cm
新宙邦三元电解液(商用) 8368
1:5凝胶体系 3870
1:10凝胶体系 4120
1:15凝胶体系 4325
1:20凝胶体系 5322
1:25凝胶体系 7363
图2：实物图代表能够制作成凝胶电解质；
图3和图4：纽扣阻抗图说明凝胶电解质适用于三元和铁锂体系，且阻抗较小，也能从侧面说明离子电导率较高；
图5和图6：说明能够进一步应用于软包电池中，通过自身催化作用，能够在软包电池静置阶段进行交联，达到凝胶软包电池，图6中位于上方的两条线对应三元811-Coulombefficiency、三元811-液态-Coulomb efficiency，而位于下方的两条线对应三元811-discharge、三元811-液态-discharge；
图7：拆解软包电池可以看到负极上没有任何瑕疵，说明凝胶电解质自催化没有副反应产生，能够达到商用化使用级别，且无液体，防止漏液等安全问题；
图8：通过SEM可知，循环后的截面表面仍有一层聚合物存在，表明该凝胶电解质稳定性较好，不会在循环过程中消耗凝胶电解质，保持长时间循环的作用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
由多元醇胺、链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体进行聚合反应，获得三维交联骨架聚合物，并在三维交联骨架聚合物固化前加入电解液反应得到交联网状结构的自催化凝胶聚合物电解质。
2.根据权利要求1所述的一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述多元醇胺为具有多个羟基基团结构的化合物。
3.根据权利要求2所述的一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述多元醇胺。
4.根据权利要求1所述的一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体的数均分子量为700～3000Da。
5.根据权利要求1所述的一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体中异氰酸酯基团与多元醇胺中胺基基团的摩尔比例为2.2～3.5。
6.根据权利要求1所述的一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述三维交联骨架聚合物占电解液的质量百分比为2％～35％。
7.根据权利要求2所述的一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体与多元醇胺进行聚合反应时，先添溶剂或电解液对链段两侧由2，4－甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇单体进行稀释。
8.根据权利要求7所述的一种自催化凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述溶剂为电解液溶剂成分，包括但不限于碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸乙烯酯，碳酸甲乙酯，碳酸丙烯酯，碳酸亚乙烯酯，亚硫酸丙烯酯，氟代碳酸乙烯酯，二乙氧基甲烷，二氟乙酸甲酯，二氟乙酸乙酯，1,3-二氧环戊烷中的一种。
9.一种自催化凝胶聚合物电解质，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述制备方法所制得。
10.一种如权利要求1～8任一项所述制备方法所制得的自催化凝胶聚合物电解质在二次锂离子电池中的应用。
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