CN112805848A - 用于可充电锂电池的固态聚合物基质电解质(pme)以及用其制造的电池 - Google Patents

用于可充电锂电池的固态聚合物基质电解质(pme)以及用其制造的电池 Download PDF

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Abstract

提供一种可充电锂电池。电池包括：阳极，包括阳极黏合剂聚合物和阳极活性材料；阴极，包括阴极黏合剂聚合物和阴极活性材料；以及聚合物基质电解质(PME)，包括电解质聚合物，锂盐，和电解质溶剂。聚合物基质电解质位于阳极和阴极之间并直接接触阳极和阴极以形成电池单元。聚合物基质电解质互穿到相邻的阳极和阴极中以形成一个整体结构。

Description

用于可充电锂电池的固态聚合物基质电解质(PME)以及用其 制造的电池
相关专利申请交叉引用
本申请要求与2018年8月8日提交的美国临时专利申请号62/715,829的优先权，其公开在此全文并入本文。
背景
技术领域
本申请笼统地涉及锂电池技术，尤其涉及用于可充电锂电池的改进的固体电解质和由其制成的电池。
技术背景
锂电池技术是深入研究的主题。新研究寻求改进的主要电池特性为尺寸，重量，能量密度，容量，较低的自放电率(self-discharge rates)，成本，快速充电，以及环境安全。目标是简化制造技术并改善层间黏合，以生产一种干电池，其体积小，重量轻，使用寿命长，具有更大的能量密度，含有很少或不含在被丢弃时可能进入环境的有毒化合物。锂电池可用于许多应用，例如移动电话，智能卡(smart cards)，计算器，便携式计算机，和电子设备的电源。锂电池还可以用于混合动力电动车辆(HEV)和电池电动车辆(EV)。
因此，仍然需要具有改进的特性，包括能量密度，容量，较低的自放电率，成本，快速充电，和环境安全性的锂电池。
发明内容
提供一种可充电锂电池，包括：
阳极，包括阳极黏合剂聚合物基质电解质(PME)和阳极活性材料；
阴极，包括阴极黏合剂聚合物基质电解质(PME)和阴极活性材料；以及
聚合物基质电解质(PME)，其至少包括电解质聚合物，锂盐，和电解质溶剂或塑化剂(plasticizer)；
其中所述聚合物基质电解质在所述阳极和所述阴极之间并直接接触所述阳极和阴极以形成电池单元；以及
其中所述聚合物基质电解质互穿(interpenetrates)到相邻的阳极和阴极中以形成整体结构。
本文中阐述了本案的这些和其他特征。
附图简要说明
本领域技术人员将理解，下文描述的附图仅用于说明目的。附图不旨在以任何方式限制本案的范围。
图1是根据本发明的电池的透视图。
图2是图1沿II-II线截取的电池的横截面图。
图3显示根据本发明的一个实施例的用于形成可即用于封装的电化学双电池(electrochemical bi-cell)的组装方法。
图4A显示用于电池的电极的示意图，该电池包括电极活性材料颗粒和分散在聚合物基质电解质(PME)中的导电添加剂颗粒，该聚合物基质电解质包含锂盐，聚合物，和用于锂盐的溶剂或塑化剂。
图4B是示意图，显示如图4A所示的电极，与不具有电极活性材料和导电添加剂的聚合物基质电解质(PME)的间隔物层结合(integrated)。
图4C是示意图，显示图4B的电极/间隔物组件，与用于电池的第二电极结合，其中所述第二电极包括分散在聚合物基质电解质(PME)中的导电添加剂颗粒和电极活性材料的颗粒，该聚合物基质电解质包括锂盐，聚合物，和用于锂盐的溶剂或塑化剂。
图4D是示意图，显示图4B的电极/间隔物组件，与活性金属电极层结合。
发明详述
在本文中，术语“约”在用于修饰数值时是指在该数值的10％范围内的值(即，+/-10％)。
本发明的电池表现出优异的层间黏合，对环境安全，并且包含在一定温度和压力范围内具有高离子电导率(ionic conductivity)的PME，如下表1所示。
Figure BDA0003012469800000031
表1
电池包括至少一个阳极，至少一个阴极，以及设置在每个阳极和每个阴极之间的至少一种电解质。电池可以是柔性的薄膜电池。阳极，阴极，和电解质可以为非常薄的层，或厚度小于1密尔(mill)的层。由于这种能力，阳极，阴极，和电解质可以堆叠成多层。另外，这里描述的电池的部件(component)可以以多种组合布置，包括：1)一个阳极，一种电解质，和一个阴极；2)两个阳极，两种电解质，和一个阴极；3)两个阴极，两种电解质，和一个阳极；4)多个阳极，多种电解质，和多个阴极；或5)双极配置，使得一个阴极围绕阳极折叠，该阳极已被电解质包围。上述配置的选择取决于所需的电池应用。
根据一些实施例，提供了用于二次(即可再充电)锂电池的固态聚合物基质电解质(polymer matrix electrolyte，PME)。聚合物基质电解质(PME)至少包括溶剂或塑化剂，聚合物，和锂盐。PME不是液体或凝胶，而是固态材料。而且，与常规的凝胶或液体电解质不同，所有的PME组分(即，溶剂，聚合物，和锂盐)都参与离子传导以及提供机械支持。
根据一些实施例，PME直接接合(bond)到阴极，从而实现更薄的层，消除死区(deadspace)，并提供更高的能量密度。可以通过将PME/阴极组件与阳极组合来组装电池。与传统的三部件组件相比，双部件组件可以简化电池制造。根据一些实施例，PME互穿到相邻的阳极和阴极结构中以形成具有连续结构的电池。PME充当阳极和阴极之间的黏合剂。这种互穿结构降低了界面电阻和阻抗。
包括PME的电池可以以多种配置使用。图1显示电池10的示例性配置，其包括从电池的主体部分突出的阳极集电器11和阴极集电器12，用于连接到所需的电路并用于输送电压和电流或电池的再充电。如图1所示，主体部分被包裹在覆盖膜13中，覆盖膜13可以是单层或多层膜，可以是气体或液体不可渗透的。优选地，覆盖膜是非常薄，高阻隔的层压箔膜，其类型适合于应用并且在电池制作方面易于加工。这些覆盖膜在本领域中是熟知的，其可包括但不限于由Kapak公司生产的诸如KAPAK KSP-150或KSP-120三层压膜的材料。或者，也可以使用由Sealright Flexible Packaging Group生产的多层的48隔距(gauge)PET/LDPE/0.000285箔膜。
现在参考图2，图2显示图1的电池10沿着II-II线的横截面。如图2所示，每个阳极14包括阳极集电器11。阳极14还可包括第一PME，电子导电填料，以及嵌入材料(intercalation material)。阳极集电器11可以由本领域技术人员已知的任何材料制备。根据一些实施例，阳极集电器11是由金属制成的导电构件(member)。可使用的金属的示例性而非限制性实例包括铜。根据一些实施例，阳极集电器11是薄的(例如，约0.25至1.0密尔)延展的箔，其中具有规则的孔，例如见于网或筛中的孔。如图1所示，阳极集电器11的第一部分可以从电池10的主体延伸以提供外部连接器件(means)，而阳极集电器11的第二部分位于盖13内并且包裹在阳极复合材料21中。
根据一些实施例，阳极复合材料21可包括阳极黏合剂PME，电子导电填料，和嵌入材料。阳极黏合剂PME可以与用于阴极的阴极黏合剂PME和用于电解质的PME具有相同的化学组成或者具有不同的化学组成。可以将本领域技术人员已知的任何电子导电填料与阳极黏合剂PME，阳极活性材料，和溶剂共混以形成浆料。电子导电填料的实例包括但不限于：导电碳，碳黑，石墨，石墨纤维，和石墨纸(graphite paper)。除了电子导电填料之外，嵌入材料也可以形成阳极的一部分。可以使用本领域技术人员已知的任何嵌入材料。嵌入材料的示例性而非限制性的实例包括：碳，活性碳，石墨，石油焦炭(petroleumcoke)，锂合金，镍粉，以及低电压锂嵌入化合物。在一个替代实施例中，阳极可进一步包括锂盐。可以使用本领域技术人员已知的任何锂盐，特别是选自以下的锂盐：LiCl，LiBr，LiI，Li(ClO4)，Li(BF4)，Li(PF6)，Li(AsF6)，Li(CH3CO2)，Li(CF3SO3)，Li(CF3SO2)2N，Li(CF3SO2)3，Li(CF3CO2)，Li(B(C6H5)4)，Li(SCN)，LiBOB，和Li(NO3)。最优选地，锂盐是Li(PF6)。向阳极添加锂盐可导致离子传导性增加。
如图2所示，阴极15包括阴极集电器12。与阳极集电器一样，阴极集电器12的一部分从电池10的主体延伸，以提供外部连接器件。然而，阴极集电器12的一部分位于覆盖膜13内并且被包裹在阴极复合材料22内。阴极集电器12是本领域技术人员已知的任何阴极集电器。示例性的阴极集电器材料包括薄的(例如，范围约0.25-1.0密尔)延展的金属箔，其中具有孔。金属可以是铝。孔通常具有规则的构造，例如见于网或筛的构造。阴极复合材料22可至少包括阴极黏合剂PME，电子导电填料，和阴极活性材料。阴极黏合剂PME与分别用于阳极和电解质中的阳极黏合剂和电解质PME可以具有相同或不具有相同的化学组成。可以将本领域技术人员已知的任何电子导电填料与阴极黏合剂和溶剂或塑化剂共混以形成浆料。这种电子导电填料的实例包括但不限于：导电碳，碳黑，石墨，石墨纤维，和石墨纸。此外，阴极包括金属氧化物或其他阴极活性材料。可以使用本领域技术人员已知的任何金属氧化物。示例性金属氧化物包括但不限于：LiCoO2；LiMnO2；LiNiO2；V6O13；V2O5；和LiMn2O4。也可以使用其他复杂的(complex)锂化金属氧化物，包括但不限于Ni，Mn，和Co总比率为1的Li-Ni-Mn-Co氧化物。根据一些实施例，阴极可以进一步包括一种或多种锂盐。可以使用本领域技术人员已知的任何锂盐。示例性锂盐包括但不限于：LiCl，LiBr，LiI，Li(ClO4)，Li(BF4)，Li(PF6)，Li(AsF6)，Li(CH3CO2)，Li(CF3SO3)，Li(CF3SO2)2N，Li(CF3SO2)3，Li(CF3CO2)，Li(B(C6H5)4)，Li(SCN)，LiBOB，和Li(NO3)。与阳极一样，向阴极添加锂盐可导致离子电导率的增加。
如图2所示，PME 16设置在阳极14和阴极15之间。PME 16至少包括电解质聚合物和锂盐23。电解质聚合物与分别用于阳极和阴极的阳极黏合剂聚合物和阴极黏合剂聚合物可以具有或不具有相同的化学组成。电解质中使用的锂盐可以是本领域技术人员已知的任何锂盐。示例性锂盐包括但不限于：LiCl，LiBr，LiI，Li(ClO4)，Li(BF4)，Li(PF6)，Li(AsF6)，Li(CH3CO2)，Li(CF3SO3)，Li(CF3SO2)2N，Li(CF3SO2)3，Li(CF3CO2)，Li(B(C6H5)4)，Li(SCN)，LiBOB，和Li(NO3)。
阳极黏合剂，阴极黏合剂，和电解质聚合物的化学组成可以以多种组合存在。根据一些实施例，阳极黏合剂，阴极黏合剂，和电解质聚合物可以是相同的。或者，可以存在其他组合，例如：1)阳极黏合剂和阴极黏合剂聚合物相同，电解质聚合物是不同的聚合物；2)阳极黏合剂和电解质聚合物相同，阴极黏合剂聚合物是不同的聚合物；3)阴极黏合剂和电解质聚合物相同，阳极黏合剂聚合物是不同的聚合物；或4)阳极黏合剂，阴极黏合剂，和电解质聚合物是不同的聚合物。
还提供了一种制造如本文所述电池的方法。根据一些实施例，制备包括第一PME溶液，电子导电填料，和嵌入材料的阳极浆料。可以通过将第一聚合物与溶剂混合来制备第一PME溶液。可选择性地，将离子液体(即，包括锂盐和溶剂或塑化剂的锂盐溶液)添加到第一聚合物溶液中。根据一些实施例，可以通过混合重量比约8％至约20％的第一聚合物和重量比约8％至约20％的锂盐和溶剂/塑化剂和重量比约60％至约84％的溶剂来制备第一PME溶液。
制备阴极浆料，其包括：第二PME溶液；电子导电填料；以及活性阴极材料或金属氧化物。可以通过将第二聚合物与溶剂混合来制备第二聚合物溶液。根据一些实施例，可通过将重量比约8％至约20％的第二聚合物与重量比约80％至约92％的溶剂混合来制备第二PME溶液。可选择性地将锂盐加入第二聚合物溶液中。
制备包括第三聚合物和锂盐的聚合物基质电解质(PME)溶液。通过将第三聚合物与溶剂混合来制备PME溶液。根据一些实施例，可通过将重量比约8％至约20％的第三聚合物与重量比约80％至约92％的溶剂混合来制备第三聚合物溶液。将锂盐溶解在溶剂或塑化剂中以形成锂盐溶液。根据一些实施例，将重量比约20％至约35％的锂盐溶解在重量比约65％至约80％的溶剂中以形成锂盐溶液。然后将锂盐溶液与第三聚合物溶液混合以形成PME溶液。根据一些实施例，PME溶液可包括重量比约2％至重量比约10％的第三聚合物和重量比约1％至约12％的锂盐。
根据一些实施例，可以通过将PME溶液浇铸(casting)成膜来形成聚合物基质电解质(PME)层。可以使用标准薄膜方法来浇铸PME膜，例如旋转浇铸或使用刮刀将溶液拉至厚度范围为约0.25密尔至约20密尔的膜。然后可以使用本领域技术人员已知的任何方法以干燥电解质层。例示性而非限制性的干燥方法包括在约70至约150℃的烘箱中干燥约20至约60分钟以除去溶剂。电解质层可于约150℃的烘箱中约30至60分钟以完全干燥。
可以通过在第一集电器上涂覆阳极浆料来形成阳极。可以使用本领域技术人员已知的任何涂覆技术，只要不是层压(laminating)即可。可用的涂覆技术包括但不限于：气相沉积(vapor deposition)，浸涂(dip coating)，旋涂(spin coating)，丝网涂布(screencoating)，以及用刷涂布。根据一些实施例，不需要制备集电器。可以将阳极浆料以相对薄的层施加到第一集电器上。可以使用本领域技术人员已知的任何方法干燥阳极浆料，特别是在重力流动烘箱中于约70至150℃干燥约20至约60分钟以除去溶剂并留下黏性膜(tackyfilm)。优选地，阳极可以于约150℃的烘箱中约30至60分钟以完全干燥。如前所述，盐可以掺入包括PME黏合剂的阳极浆料中。或者，通过将阳极浸泡在锂盐溶液(例如，浸泡在1摩尔锂盐溶液中约20至约45分钟)，可以使阳极负载锂离子。锂盐溶液可以是溶解在碳酸乙烯酯(EC)/碳酸丙烯酯(PC)的50/50共混物中的锂盐。在阳极完成浸泡后，可以将其擦干以除去过量的溶液。
可以通过在第二集电器上涂覆阴极浆料来形成阴极。可以使用本领域技术人员已知的任何涂覆技术。这种涂覆技术包括但不限于：气相沉积，浸涂，旋涂，丝网涂布，以及用刷涂布。与阳极一样，不需要制备集电器。阴极浆料可以以相对薄的层施加到第二集电器。可以使用本领域技术人员已知的任何方法来干燥阴极，特别是在烘箱中于约70至150℃干燥约20至约60分钟以除去溶剂并留下黏性膜。阴极可于约150℃的烘箱约30至60分钟以完全干燥。
组装阳极，电解质层，和阴极以形成电池。组装过程可以使用几种方法进行。根据一些实施例，将电解质溶液施加到阳极的表面上，并且将电解质层的位置设置在阳极上，使得电解质溶液设置在其间。接着，可以将电解质溶液施加到与阳极相对的电解质层侧或阴极的下侧。接着，可以将阴极的位置设置在与阳极相对的电解质层的侧面上，使得电解质溶液设置在阴极和电解质层之间以形成电池组件。接着，可以在足以使电解质溶液干燥的温度下加热组件，其中第一，第二，和第三聚合物中的每一个都经历软化或熔体流动。聚合物的软化允许在层之间发生紧密的横向接触，最终形成均匀的组件，该组件是自粘结的(self-bonded)并且在不同层(interlayers)之间表现出优异的粘合。加热组件后，可将其冷却至室温。作为附加步骤，可以将组件放置在保护壳中并使用恒定电压或恒定电流充电。
作为组装的替代方法，可以将电解质层，阳极，和阴极干燥至黏性状态。接着，可以通过提供阳极，将电极层的位置设置在阳极上，以及将阴极的位置设置在电解质层上以形成组件来组装电池。接着，可以将压力施加到组件上。所施加的压力的量可以与仅用手或通过在压力机中施加压力而将层压在一起一样小。所需的压力的量应足以允许在层之间进行紧密接触。在选择性的附加步骤中，可以将组件加热到使第一，第二，以及第三聚合物中的每一个均经历熔体流动的温度。接着，可将组件冷却至室温。然后可以将组件装在保护壳中并使用恒定电压或恒定电流充电。由该方法得到的PME电池表现出优异的层间黏合，柔性的，并且在一定温度范围内表现出离子电导率。
根据一些实施例，提供了双部件电池组件。双部件组件包括用PME涂布电极以形成电极/间隔物并随后与阳极进行组装。对于双部件电池组件，将包括阴极活性材料和阴极聚合物黏合剂的阴极浆料在大量(bulk)溶剂中混合。可以将阴极浆料涂覆在金属集电器基板上并除去溶剂(例如，经由干燥)。随后，可用包括电解质聚合物，锂盐，和溶剂的混合物的PME涂布被涂覆的阴极，然后干燥以除去溶剂，保留有效量的溶剂用于电导率目的，例如与一种或多种聚合物加上锂盐相比，5％至50％的重量比。在这一点上，被涂布的阴极已成为阴极和PME间隔物二者。然后可以将阳极层放置在PME涂覆的阴极上，从而提供由两种部件制成的电池组件。
在2-部件电池组装过程的另一个实施例中，被涂覆的阳极可用PME进行涂布以形成阳极/间隔物整体(ensemble)。然后可以将阴极层放置在PME涂覆的阳极上，从而提供由两种部件制成的电池组件。
图3示出了与上述双部件电池组装过程之一相关的组装“折叠(folding)”过程。首先，如前所述，提供阴极集电器上的PME涂覆的阴极。在步骤710中，在将阳极放置在PME间隔物/阴极上之前，用少量溶剂喷涂于PME涂布的阴极的表面，出于黏附和电池激活的目的。在步骤720中，接着，将Li阳极(如Li金属条)放置于PME涂覆的阴极上。替代地，对于石墨阳极，该阳极也可被涂覆，干燥，然后在被PME涂覆的阴极上被涂布。接着，在步骤730中，将阳极凸片(如镍凸片)放置在阳极上。接着，在步骤740中，通过将PME涂覆的阳极包在阴极上来执行电池折叠，如图7所示，以形成具有准备好用于包装的阳极凸片750的双电池。双电池提供的容量是传统电池的两倍，同时具有与传统电池相同的占地面积(footprint)。接着，可以将阴极凸片(未示出)放置在阴极上。
尽管图3示出了双电池，但是电池不必为双电池配置。其他示例性而非限制性配置包括具有单阳极/PME/阴极层的单个电池；“果冻卷(jellyroll)”配置，其中阳极/PME/阴极组件卷绕成卷或堆栈配置，其中多个阳极/PME/阴极组件堆栈在一起以形成多层电池。
接着，可以将所得到的电池放置在上包装材料和下包装材料之间，该上包装材料和下包装材料可以围绕电池单元的周边密封以形成被包装的电池。
图4A是示出了电池的电极400的示意图，包括电极活性材料404的颗粒和分散在聚合物基质电解质(PME)406中的导电添加剂402的颗粒。PME可包括锂盐，聚合物，和用于锂盐的溶剂或塑化剂。
图4B是示出了包括如图4A所示的电极400的电极/间隔物组件410的示意图，该电极400与不含电极活性材料或导电添加剂的聚合物基质电解质(PME)的间隔物层412整合在一起。
图4C是包括图4B的电极400和与第二电极422整合的间隔物412的电池420的示意图，其中第二电极包括分散在聚合物基质电解质(PME)436中的导电添加剂432的颗粒和电极活性材料434的颗粒。PME可包括锂盐，聚合物，和用于锂盐的溶剂或塑化剂。
图4D是示出了与活性金属电极层432整合的图4B的电极400和间隔物412的电池430的示意图。
根据一些实施例，提供固体聚合物基质电解质(PME)，其由一种或多种作为固体基的聚合物主体(host)与一种或多种锂盐一起形成。电解质的示例性聚合物主体包括但不限于：聚(环氧乙烷)(PEO)，聚(环氧丙烷)(PPO)，聚(丙烯腈)(PAN)，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，聚(氯乙烯)(PVC)，聚(偏二氟乙烯)(PVdF)，聚(偏二氟乙烯六氟丙烯)(PVdF-HFP)，聚酰亚胺(PI)，聚氨酯(PU)，聚丙烯酰胺(PAA)，聚(醋酸乙烯酯)(PVA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)，聚酯(PET)，聚丙烯(PP)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚碳酸酯(PC)，聚苯硫醚(PPS)，和聚四氟乙烯(PTFE)，或其两种或更多种特定聚合物的组合，以通过聚合物共混或共聚技术实现离子电导率，机械强度，热稳定性，和电化学窗口之间的平衡特性。
聚合物电解质包括电解质盐，电解质聚合物，和溶解有电解质盐的电解质溶剂。电解质聚合物的示例包括但不限于醚基聚合物，例如聚环氧乙烷和交联聚环氧乙烷，聚甲基丙烯酸酯基聚合物，丙烯酸酯基聚合物等。这些聚合物可以单独使用，或者以两种或更多种的混合物或共聚物的形式使用。
根据一些实施例，电解质聚合物可以是碳氟聚合物。碳氟聚合物的示例性非限制性示例包括聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯(PVDF-HFP)等。
根据一些实施例，电解质聚合物可以是聚丙烯腈或聚丙烯腈的共聚物。用于与丙烯腈共聚的单体(乙烯基单体)的非限制性示例包括但不限于：乙酸乙烯酯，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸丁酯，丙烯酸甲酯，丙烯酸丁酯，衣康酸，氢化丙烯酸甲酯，氢化丙烯酸乙酯，丙烯酰胺，氯乙烯，偏二氟乙烯，和偏二氯乙烯。
根据一些实施例，用于聚合物电解质的聚合物化合物可以是聚苯硫醚(PPS)，聚(对苯醚)(PPO)，液晶聚合物(LCP)，聚醚醚酮(PEEK)，聚邻苯二甲酰胺(PPA)，聚吡咯，聚苯胺，和聚砜。也可以使用包括所列聚合物的单体和这些聚合物的混合物的共聚物。例如，对羟基苯甲酸的共聚物可以是合适的液晶聚合物基质聚合物，如聚(乙烯醇缩醛)，聚(丙烯腈)，聚(乙酸乙烯酯)，聚酯(PET)，聚丙烯(PP)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚碳酸酯(PC)，聚苯硫醚(PPS)，和聚四氟乙烯(PTFE)，或其两种或更多种的组合。选择后一组的特定聚合物及其在共混物中的浓度以调整基聚合物材料至少一种想要的特性。
根据一些实施例，基聚合物材料可包括其他物质，如丙烯酸酯，聚环氧乙烷(PEO)，聚环氧丙烷(PPO)，聚(双(甲氧基-乙氧基-乙醇盐))-磷腈(MEEP)，聚丙烯腈(PAN)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚甲基丙烯腈(PMAN)等。
根据一些实施例，电解质聚合物材料可包括具有碱性基团(如氨基)的聚合物。电解质聚合物可包括聚乙烯系化合物和聚乙炔系聚合物化合物。
根据一些实施例，用于电解质的基聚合物材料可包括聚酰亚胺聚合物。合适的聚酰亚胺聚合物描述于：美国专利号5,888,672；美国专利号7,129,005和美国专利号7,198,870。前述专利的每一个均通过引用整体并入本文。
根据一些实施例，基聚合物材料可包括选自以下的聚合物：聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚氨酯，聚环氧乙烷，聚丙烯腈，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯酰胺，聚乙酸乙烯酯，聚乙烯吡咯烷酮，聚四乙二醇二丙烯酸酯，前述任一项的共聚物，及其组合。
根据一些实施例，电解质溶剂可包括一种或多种具有线性或环状结构的碳酸的有机酯，即二烷基和烯烃碳酸酯，其实际上专门用于此目的。
根据一些实施例，电解质溶剂可包括具有环状结构的碳酸乙烯酯(EC))和一种或多种具有线性结构的碳酸二烷基酯。示例性碳酸二烷基酯包括碳酸二甲酯(DMC)，碳酸二乙酯(DEC)，和碳酸甲乙酯(EMC)。混合溶剂组合物可以用具有多种结构的醚或羧酸酯补充，但后者起次要作用。
下表2示出了可使用的混合电解质溶剂主要成分的关键特性和结构。混合溶剂中锂盐溶液在室温附近的离子电导率(σ)应该在(1-10)×10-3S cm-1的水平，这提供了可于温度范围-30至+60℃操作的锂离子电池。
表2
Figure BDA0003012469800000111
Figure BDA0003012469800000121
示例性电解质溶液包括碳酸烷基酯的混合物，包括碳酸乙烯酯(EC)，碳酸二甲酯(DMC)，碳酸二乙酯(DEC)，和碳酸甲乙酯(EMC)以及LiPF6作为电解质溶液。优选地包括在该组中的是不易燃的溶剂，如磷酸四甲酯(TMP)。
研究显示，高浓度的双(三氟甲磺酰基)酰胺锂(LiTFSA，LiN(SO2CF3)2)和尿素(两者在室温下都是固体)的混合物表现得像室温熔盐。也可以使用基于LiTFSA盐与尿素衍生物，乙酰胺，和2-噁唑烷酮的类似系统。
可以使用包括Li[CF3SO2]2N](LiTFSI)(最低晶格能量盐之一)和1，3-二氧戊环(DOL)∶二甲氧基乙烷(DME)(体积比1∶1)作为电解质溶剂的电解质系统。根据一些实施例，该电解质系统可用于包括硫作为阴极活性材料的锂电池(即.Li-S电池)。
根据一些实施例，可以通过将锂盐(例如，LiPF6)溶解在二元或三元溶剂中来制备电解质溶液，该二元或三元溶剂是碳酸乙烯酯(EC)和非环状碳酸酯(如碳酸二甲酯(DMC)，碳酸甲乙酯(EMC)，或碳酸二乙酯(DEC))的混合物。
根据一些实施例，碳酸丙烯酯(PC)可用作锂离子电池的非水电解质的电解质溶剂，特别是用于低温操作，因为它的低熔点(约-48.8℃)，这可降低具有EC的溶剂的共晶点。不幸的是，PC并未广泛用作锂离子电池中溶剂的成分，因为PC很容易在石墨电极表面分解并与锂离子共插入至石墨电极，这使得石墨电极显著剥落并降低石墨电极的可逆容量，甚至导致石墨电极的循环性能丧失容量。
含有锂盐的碳酸甲丙酯(MPC)溶液可以在不添加碳酸乙烯酯(EC)的情况下作为单溶剂电解质。石墨电极可以在含有LiPF6和LiAsF6的MPC溶液中以高可逆容量循环。在锂离子基电解质中使用非环状，不对称的烷基碳酸酯溶剂，如碳酸甲乙酯(EMC)和MPC，增加了石墨电极的稳定性。虽然在EMC溶液中仍需要少量EC作为助溶剂以在石墨电极上获得稳定的表面膜，但在MPC溶液中(不添加EC)在石墨上产生的表面膜却可以是高度稳定的，允许可逆的锂离子嵌入。为了理解这一趋势，我们结合电化学研究，研究了MPC溶液中锂和碳电极上形成的表面化学。
制备一些含有季铵阳离子和酰亚胺阴离子的室温离子液体并进行电化学评估，并与具有1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子的传统室温离子液体系统进行比较。以盐作为锂电池系统电解质基的能力至少部分地归因于盐的阴极稳定性。但是，其他特性也可能有效。这种类型的示例性非限制性盐包括N-甲基-N-丙基哌啶双(三氟甲磺酰基)酰亚胺。
近年来，受LiPF6和LiBF4启发，已经合成了几种盐，尝试设计具有改善的热，离子，或其他特性的盐。例如，从包括围绕中心原子的配体的阴离子(例如，PF6-，ClO4-)发展到大的络合(complex)阴离子，例如，双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(TFSI或有时TFSA)，和有机配体基的阴离子，例如双(草酸)硼酸盐(BOB)。为LIB全面研究的一类锂盐含有磺酰基。三氟甲磺酸盐是该族中最简单的阴离子，而酰亚胺基的阴离子含有两个x-氟磺酰基(x＝1-5)基团，如双(氟磺酰基)酰亚胺(FSI)，TFSI，和双(全氟乙磺酰基)酰亚胺(BETI或有时PFSI)最近引起了更多的关注。这些阴离子的常见问题是电解质对铝的腐蚀，但可以使用适当的电解质溶剂或添加剂来减少腐蚀。此外，据报导，该家族的两个新的锂盐，环二氟甲烷-1，1-双(磺酰基)酰亚胺锂(LiDMSI)和环六氟丙烷-1，1-双(磺酰基)酰亚胺锂(LiHPSI)在石墨阳极上形成稳定的SEI并钝化铝集电器，显著优于LiTFSI。其他衍生物包括将这些较大体积的阴离子组分的化学组分(如启发和衍生自PF6-，为全氟烷基三氟硼酸盐CnF(2n+1)BF3族，其中n＝1-4，作为BF4-的替代物的三(五氟乙基)三氟磷酸酯(FAP))和二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)的混合物，与氟和草酸盐的不同配体的组合结合的化合物。这些盐中的任何一种均可用于本文所描述的PME中。
根据一些实施例，双(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiFSI)可用作锂离子电池的锂盐。纯LiFSI盐的熔点为145℃，在高达200℃时仍具有热稳定性。它表现出比LiPF6更优异的水解稳定性。在多种锂盐以1.0M(＝mol dm-3)浓度混合碳酸乙烯酯(EC)/碳酸甲乙酯(EMC)(3∶7，v/v)的研究中，LiFSI显示出最高的电导率，依次为LiFSI＞LiPF6＞Li[N(SO2CF3)2](LiTFSI)＞LiClO4＞LiBF4。
双草酸硼酸盐(BOB)和更近期的无氟(F-free)阴离子(如四氰基硼酸盐(Bison)和二氰基三唑盐(DCTA或有时TADC))是LIB的令人关注的候选物。这些实施例具有明显和独特的优点，但也存在妨碍它们取代LiPF6的问题。已知BOB阴离子参与在阳极和阴极上形成中间相(interphase)以改善电池特性，但LiBOB在大多数非质子溶剂(aprotic solvent)中具有有限的溶解度。Bison和DCTA都具有较高的热稳定性，但其锂盐电解质的氧化电位相对较低且离子电导率较低。已经尝试通过以安全风险和生产成本增加为代价添加氟物质来改善这些盐的性质。已经合成了几种硼酸盐基的阴离子，包括双(氟代丙二酸)硼酸盐(BFMB)以调节BOB阴离子的性质。类似地，与DCTA相比，二氰基三氟甲基咪唑(TDI)和二氰基五氟乙基咪唑(PDI)以及其他基于咪唑或苯并咪唑的阴离子显示更有前景的。
如本文所述的电池阴极包括阴极或正极活性材料。以下描述多种示例性阴极活性材料。以下描述不是限制性的，可以使用其他阴极活性材料。
根据一些实施例，阴极活性材料可以是具有以下通式LixNiaMnbCocO的化合物，其中x的范围为约0.05至约1.25，c的范围为约0.1至约0.4，b的范围为约0.4至约0.65，和a的范围为约0.05至约0.3。
根据一些实施例，阴极活性材料可以是具有以下通式LixAyMaM’bO2的化合物，其中M和M’是铁，锰，钴，和镁中的至少一种；A是钠，镁，钙，钾，镍，和铌中的至少一种；x的范围为约0.05至1.25；y的范围为0至1.25，M为Co，Ni，Mn，Fe；a的范围为0.1至1.2；以及b的范围为0至1。
根据一些实施例，阴极活性材料可以是由通式LixAyMaM’bPO4表示的橄榄石化合物，其中M和M’独立地为铁，锰，钴，和镁中的至少一种；A是钠，镁，钙，钾，镍，和铌中的至少一种；x的范围为约0.05至1.25；y的范围为0至1.25；a的范围为0.1至1.2；以及b的范围为0至1。根据一些实施例，M可以是铁(Fe)或锰(Mn)。根据一些实施例，橄榄石化合物是LiFePO4或LiMnPO4或其组合。根据一些实施例，橄榄石化合物涂覆有具高电导率的材料，例如碳。根据一些实施例，涂覆的橄榄石化合物可以是碳涂覆的LiFePO4或碳涂覆的LiMnPO4。
根据一些实施例，阴极活性材料可以是由经验式LiMn2O4表示的锰酸盐尖晶石(manganate spinel)。
根据一些实施例，阴极活性材料可以是由通式LixAyMaM’bO4表示的尖晶石材料，其中M和M’独立地是由铁，锰，钴，和镁中的至少一种；A是钠，镁，钙，钾，镍，和铌中的至少一种；x为约0.05至1.25；y为0至1.25；a为0.1至1.2；和b的范围为0至1。
根据一些实施例，锂离子电池可以使用(相对于作为参照的均相电活性锂金属氧化物组分)富锂(lithium-rich)的正极活性材料。虽然不希望受理论限制，但据信适当形成的富锂锂金属氧化物具有复合晶体结构，其中例如Li2MnO3在结构上与层状LiMnO2组分或尖晶石LiMn2O4组分或类似复合物组分结合，其中复合物组分的锰离子被具有等效氧化态的其他过渡金属离子取代。在一些实施例中，正电极材料可以用双组分符号表示为xLiMO2·(1-x)Li2M’O3，其中M是三价金属离子中的一种或多种，其中至少一个离子是Mn3+，Co3+，或Ni3+，并且其中M’是一种或多种四价金属离子且0＜x＜1。
根据一些实施例，锂离子电池可以使用正极活性材料，其选自硫，多硫(polysulfur)，以及包括硫的活性材料，该活性材料中硫以金属硫化物和金属多硫化物中的至少一种的形式存在。
用于本发明电池的阴极或正极可包括具有相对低当量的硫基材料。电极可以是复合物，包括在理论上完全充电状态的硫和电子导电材料。在某些放电状态下，正极可包括硫化物和多硫化物中的一种或多种，其中硫化物和多硫化物在负极中是金属硫化物或金属多硫化物。根据一些实施例，完全充电的电极还可包括一定量的这种硫化物和/或多硫化物。
如本文所述的电池阳极包括阳极或负极活性材料。以下描述多种示例性阳极活性材料。以下描述不是限制性的，可以使用其他阳极活性材料。
负极或负极活性材料可包括允许锂被插入材料中或从材料中移除的任何材料。这种材料的实例包括碳质材料，例如，非石墨碳，人造碳，人造石墨，天然石墨，热解碳，焦炭(如沥青焦炭，针状焦炭，石油焦炭)，石墨，玻璃碳(vitreous carbon)，或经过热处理的有机物聚合物化合物，其通过碳化酚醛树脂，呋喃树脂，或类似物，碳纤维，和活性炭而获得。根据一些实施例，金属锂，锂合金，及其合金或化合物可用作负极活性材料。用于与锂形成合金或化合物的金属元素或半导体元素可以是IV族金属元素或半导体元素，包括但不限于硅或锡(例如，掺杂有过渡金属的非晶锡)。根据一些实施例，阳极活性材料包括掺杂有石墨或任何上述碳质材料，钴，或铁/镍的非晶锡或硅。根据一些实施例，阳极材料可包括氧化物，允许锂以相对低的电位插入氧化物中或从氧化物中除去。示例性的氧化物包括但不限于氧化铁，氧化钌，氧化钼，氧化钨，氧化钛，以及氧化锡。氧化硅和氮化物也可用作负极活性材料。
根据一些实施例，负极或阳极活性材料可包括钛酸锂(LTO)。
根据一些实施例，玻璃基质负电极(如Li/SnO和Li/SiO)也可用于本发明的电池中。
虽然前述说明书教导了本发明的原理，但是出于说明的目的提供了示例，本领域技术人员通过阅读上述公开内容将理解，可以在不脱离本发明的真实范围的情况下对其形式和细节进行多种改变。

Claims (20)

1.一种可充电锂电池，包括：
阳极，包括阳极黏合剂聚合物和阳极活性材料；
阴极，包括阴极黏合剂聚合物和阴极活性材料；以及
聚合物基质电解质(PME)，包括电解质聚合物，锂盐，以及电解质溶剂及/或塑化剂；
其中所述聚合物基质电解质在所述阳极和所述阴极之间并直接接触所述阳极及所述阴极以形成电池单元；以及
其中所述聚合物基质电解质互穿到相邻的所述阳极和所述阴极中以形成整体结构。
2.如权利要求1所述的电池，其中所述电解质溶剂包括碳酸烷基酯。
3.如权利要求1所述的电池，其中所述电解质溶剂包括以下的一种或多种：碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸甲乙酯，碳酸甲丙酯，二甲基乙酰胺(DMAc)，二甲氧基乙烷(DME)，不可燃溶剂，及其组合。
4.如权利要求1所述的电池，其中所述锂盐包括以下的一种或多种：LiCl，LiBr，LiI，Li(ClO4)，Li(BF4)，LiPF6，Li(AsF6)，Li(CH3CO2)，Li(CF3SO3)，Li(CF3SO2)2N，Li(CF3SO2)3，Li(CF3CO2)，Li(B(C6H5)4)，Li(SCN)，LiB(C2O4)2，Li(NO3)，双(三氟甲基磺酰)酰亚胺锂(LiTFSI)，以及双草酸硼酸锂(LiBOB)。
5.如权利要求4所述的电池，其中所述锂盐是LiPF6或Li(CF3SO2)2N。
6.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极活性材料选自下组的一种或多种：
通式为LixNiaMnbCocO的化合物，其中x为约0.05至约1.25，c为约0.0至约0.4，b为约0.0至约0.65，以及a为约0.05至约1.0；
通式为LixAyMaM’bO2的化合物，其中M和M’是铁，锰，钴，铝，及镁中的至少一种；A是选自钠，镁，钙，钾，镍，及铌中的至少一种元素；x为约0.05至1.25；y为0至1.25，M为Co，Ni，Mn，Fe；a的范围为0.1至1.2；以及b的范围为0至1；
由通式LixAyMaM’bPO4表示的橄榄石化合物，其中M和M’独立地是铁，锰，钴，及镁中的至少一种；A为钠，镁，钙，钾，镍，及铌中的至少一种；x为约0.05至1.25；y为0至1.25；a为0.1至1.2；以及b为0至1；
由经验式LiMn2O4表示的锰酸盐尖晶石化合物；以及
由通式LixAyMaM’bO4表示的尖晶石化合物，其中M和M’独立地是铁，锰，钴，及镁中的至少一种；A是选自钠，镁，钙，钾，镍，及铌中的至少一种元素；x为约0.05至1.25；y为0至1.25；a为0.1至1.2；及b为0至1。
7.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极活性材料是由以下通式表示的橄榄石化合物：
LixAyMaM’bPO4；
其中M是Fe或Mn。
8.如权利要求7所述的电池，其中所述阴极活性材料包括LiFePO4或LiMnPO4或其组合。
9.如权利要求7所述的电池，其中所述阴极活性材料包括碳涂覆的LiFePO4或碳涂覆的LiMnPO4。
10.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性材料包括以下材料中的一种或多种：
碳质材料；
掺杂硅或锡的碳质材料；
金属锂，锂合金，或锂化合物；
掺杂钴或铁/镍的非晶锡；
氧化物，选自：氧化铁，氧化钌，氧化钼，氧化钨，氧化钛，以及氧化锡；
氧化硅；以及
氮化硅。
11.如权利要求10所述的电池，其中所述阳极活性材料是碳质材料。
12.如权利要求10所述的电池，其中所述阳极活性材料包括以下的一种或多种：非石墨碳，人造碳，人造石墨，天然石墨，热解碳，以及活性碳。
13.如权利要求10所述的电池，其中所述阳极活性材料包括锂和硅或锡的化合物。
14.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性材料为石墨，并且其中所述阴极活性材料为以下通式的化合物：
LixNiyCoaMnbO2
其中x为约0.05至1.25；
y为0至1.25；
a为0.1至1.2；以及
b为0至1。
15.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性材料为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2。
16.如权利要求1所述的电池，其中所述电解质聚合物，所述阴极黏合剂聚合物，以及所述阳极黏合剂聚合物各自独立地选自下组中的一种或多种：碳氟聚合物；聚丙烯腈聚合物；聚苯硫醚(PPS)；聚对苯醚(PPE)；液晶聚合物(LCP)；聚醚醚酮(PEEK)；聚邻苯二甲酰胺(PPA)；聚吡咯；聚苯胺；聚砜；丙烯酸酯聚合物；聚环氧乙烷(PEO)；聚环氧丙烷(PPO)；聚(双(甲氧基乙氧基乙氧基))磷腈(MEEP)；聚丙烯腈(PAN)；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚甲基丙烯腈(PMAN)；聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)；聚酰亚胺聚合物；包括前述聚合物的单体的共聚物；以及前述聚合物的混合物。
17.如权利要求16所述的电池，其中所述电解质聚合物，所述阴极黏合剂聚合物，以及所述阳极黏合剂聚合物各自包括以下的一种或多种：聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯共六氟丙烯(PVDF-HFP)及其组合。
18.如权利要求16所述的电池，其中所述电解质聚合物，所述阴极黏合剂聚合物，以及所述阳极黏合剂聚合物各自包括碳氟聚合物和聚酰亚胺的混合物。
19.如权利要求18所述的电池，其中所述电解质聚合物，所述阴极黏合剂聚合物，以及所述阳极黏合剂聚合物各自包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚酰亚胺的混合物。
20.如权利要求1所述的电池，其中：
所述阴极活性材料为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2；
所述阳极活性材料为石墨；
所述锂盐为LiPF6或Li(CF3SO2)2N；
所述电解质溶剂包括以下一种或多种：碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸甲乙酯，碳酸甲丙酯，二甲基乙酰胺(DMAc)，二甲氧基乙烷(DME)，及其组合；以及
所述电解质聚合物，所述阴极黏合剂聚合物，以及所述阳极黏合剂聚合物各自包括碳氟聚合物，聚酰亚胺，或其组合。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113394376A (zh) * 2021-06-16 2021-09-14 哈尔滨工业大学 一种耐高压固态电池复合正极及其制备方法
CN114976229A (zh) * 2022-05-25 2022-08-30 济南大学 一种制备锂电池用四氟乙烯基聚合物电解质的方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11715863B2 (en) 2018-08-08 2023-08-01 Brightvolt, Inc. Solid polymer matrix electrolytes (PME) and methods and uses thereof
US11855258B2 (en) * 2020-06-08 2023-12-26 Cmc Materials, Inc. Secondary battery cell with solid polymer electrolyte
JP2023546353A (ja) * 2020-10-06 2023-11-02 ブライトボルト，インク． 固体ポリマーマトリックス電解質（ｐｍｅ）並びに其れ等の方法及び使用
GB2601480A (en) * 2020-11-26 2022-06-08 Dyson Technology Ltd Composite cathode material
US20220399571A1 (en) * 2021-06-10 2022-12-15 Brightvolt, Inc. Processes for making batteries comprising polymer matrix electrolytes
WO2023249834A1 (en) * 2022-06-20 2023-12-28 Pacific Industrial Development Corporation Hybrid batteries with ionic conductive electrodes
WO2024054017A1 (ko) * 2022-09-06 2024-03-14 주식회사 엘지에너지솔루션 전극 조립체 및 리튬 이차 전지

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1601798A (zh) * 2003-09-26 2005-03-30 三星Sdi株式会社 可充电锂电池
CN1864298A (zh) * 2001-07-27 2006-11-15 麻省理工学院 电池结构、自组织结构及相关方法
US20140363746A1 (en) * 2013-06-10 2014-12-11 Hui He Lithium secondary batteries containing non-flammable quasi-solid electrolyte

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10188992A (ja) * 1996-12-24 1998-07-21 Sony Corp 非水電解液電池
JPH1131513A (ja) * 1997-05-13 1999-02-02 Sony Corp 非水電解液二次電池
US6759164B2 (en) * 2000-11-29 2004-07-06 Wilson Greatbatch Ltd. Use of heat-treated electrodes containing a polyamic acid-PVDF binder mixture
KR101211455B1 (ko) * 2003-03-31 2012-12-12 파이오트렉쿠 가부시키가이샤 복합 고분자 전해질 조성물
US20040253520A1 (en) * 2003-05-13 2004-12-16 Wensley C. Glen Polyimide matrix electrolyte and improved batteries therefrom
US7649730B2 (en) * 2007-03-20 2010-01-19 Avx Corporation Wet electrolytic capacitor containing a plurality of thin powder-formed anodes
CN103620850B (zh) * 2011-06-23 2016-01-06 株式会社Lg化学 具有新型结构的电极组件和使用其的二次电池
JP5849912B2 (ja) * 2012-09-12 2016-02-03 ソニー株式会社 二次電池、電池パックおよび電動車両
FR3010236B1 (fr) * 2013-09-05 2017-01-13 Arkema France Additifs pour ameliorer la conductivite ionique des electrodes de batteries li-ion
WO2015045009A1 (ja) * 2013-09-24 2015-04-02 株式会社 東芝 非水電解質電池及び電池パック
CN107112472B (zh) * 2014-10-31 2020-04-07 三洋电机株式会社 电池
KR102370277B1 (ko) * 2014-11-03 2022-03-04 하이드로-퀘벡 랜덤 코폴리머 및 휘발성 폴리아민 가교화제 기반의 가교된 폴리머 및 그의 제조방법
FR3040550B1 (fr) * 2015-08-25 2017-08-11 Commissariat Energie Atomique Batterie au lithium-ion gelifiee
WO2017046895A1 (ja) * 2015-09-16 2017-03-23 株式会社 東芝 組電池及び電池パック
EP3567663A4 (en) * 2017-01-06 2020-07-29 Mitsui Chemicals, Inc. SECONDARY BATTERY WITH WATER-FREE ELECTROLYTE AND MATERIAL FOR USE IN IT

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1864298A (zh) * 2001-07-27 2006-11-15 麻省理工学院 电池结构、自组织结构及相关方法
CN1601798A (zh) * 2003-09-26 2005-03-30 三星Sdi株式会社 可充电锂电池
US20140363746A1 (en) * 2013-06-10 2014-12-11 Hui He Lithium secondary batteries containing non-flammable quasi-solid electrolyte

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113394376A (zh) * 2021-06-16 2021-09-14 哈尔滨工业大学 一种耐高压固态电池复合正极及其制备方法
CN114976229A (zh) * 2022-05-25 2022-08-30 济南大学 一种制备锂电池用四氟乙烯基聚合物电解质的方法
CN114976229B (zh) * 2022-05-25 2024-04-19 济南大学 一种制备锂电池用四氟乙烯基聚合物电解质的方法

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