CN114695953A - 一种高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用以及锂离子电池 - Google Patents

一种高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用以及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池凝胶聚合物电解质领域,具体涉及一种高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用以及锂离子电池。制备方法包括:将含氟芳香二胺和含氟芳香二酐进行反应,得到聚酰胺酸溶液;将聚酰胺酸涂覆后经高温处理,得到聚酰亚胺多孔膜;将聚酰亚胺多孔膜浸入高压电解液中进行充分溶胀,得到高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质。本发明的高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质具有较强的抗氧化能力,可使锂离子电池具有良好的高压循环稳定性,制备过程简单易行,具有很强的可操作性和加工性,具有广阔的应用前景。

Description

一种高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质及其制备方 法和应用以及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池凝胶聚合物电解质领域,更具体地,涉及一种高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用以及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有电压高,能量密度大,充放电迅速,寿命长,无记忆效应等优点,已成为新能源的重要发展方向。目前,锂离子电池主要应用于手机、笔记本、电动工具和储能等领域。电动汽车、电动自行车的增长对电池的能量密度有较高的要求。采用高压材料从而提高电池的工作电压成为提高电池能量密度的有效途径。高压材料的研究主要集中在镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)、磷酸镍锂(LiNiPO4)等材料。以LiNi0.5Mn1.5O4为例,其放电平台高达4.7V。然而,目前商用电解液的工作电压为4.3V,在4.7V高电压下应用将会被氧化,这导致电池性能恶化。目前开发的高压电解液多采用砜类、腈类等抗氧化电位高的物质作为电解液的溶剂,将电池的工作电压提高到5V以上。然而,在电池使用过程中经常发生放热现象。随着电压的升高,放热量越高,温度越高。液态电解液高温下安全性低,存在高温安全隐患。并且,使用液体电解液对电池封装要求高,无法完全避免漏液风险。
此外,现有的锂电池聚合物隔膜多为聚烯烃、聚偏氟乙烯及其共聚物。这些聚合物本身的热稳定性十分有限,也造成电池内部存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题,提供一种高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质及其制备方法和应用以及锂离子电池。本发明首先利用聚酰亚胺聚合物制备凝胶电解质基体,减少因聚合物引起的电池内部安全隐患。其次,利用离子液体在本发明中蒸汽压低、不易挥发、不易燃烧、热稳定性好、与锂盐和有机溶剂有很好的相容性、电导率高、电化学窗口较宽的特点,提高电池的高电压、高安全性。最后,浸入高压电解液提高电池的电性能,制备出兼顾高电压、高安全、综合性能良好的凝胶聚合物电解质。
为了实现上述目的,本发明的第一方面提供一种高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质的制备方法,该制备方法包括:
(1)将含氟芳香二胺和含氟芳香二酐在极性溶剂存在下进行反应,得到聚酰胺酸溶液;
(2)将聚酰胺酸溶液在平板上进行涂覆,经高温处理,完成极性溶剂挥发造孔和酰亚胺化反应,得到聚酰亚胺多孔膜;
(3)在干燥惰性气体保护下,将锂盐溶解在离子液体与有机溶剂的混合溶剂中,得到锂盐溶液;
向锂盐溶液中加入高压添加剂,得到锂离子电池高压电解液;
(4)在干燥惰性气体保护下,将聚酰亚胺多孔膜浸入高压电解液中进行充分溶胀,得到所述高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质。
根据本发明,在平板上进行涂覆的操作可以是将聚酰胺酸溶液涂覆在玻璃、聚四氟乙烯材料或其他载体上。
作为优选方案,步骤(1)中,所述极性溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二甲基乙酰胺中的至少一种。
作为优选方案,步骤(1)中,所述含氟芳香二胺和所述含氟芳香二酐的摩尔比为1:0.8-1.2。
作为优选方案,步骤(1)中,所述含氟芳香二胺为2,2-双(3-氨基-4羟基苯基)六氟丙烷。
作为优选方案,步骤(1)中,所述含氟芳香二酐为4,4’-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐。
作为优选方案,步骤(2)中,所述高温处理的温度为200-280℃。
作为优选方案,步骤(3)中,离子液体与有机溶剂质量比为(0.1~1):1。
作为优选方案,步骤(3)中,锂盐溶液中锂盐的浓度为1mol/L~1.3mol/L。
作为优选方案,步骤(3)中,相对于有机溶剂的质量,高压添加剂的添加量为0.5%~5%。
作为优选方案,步骤(3)中,所述锂盐选自六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、双乙二酸硼酸锂(LiBOB)、三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)、二(三氟甲基)磺酰亚胺锂(LiTFSI)和二氟草酸硼酸锂(LiODFB)中的一种。
步骤(3)中,所述离子液体选自1-甲基-3-丁基咪唑四氟硼酸(BMIBF4)、1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺(BMITFSI)和1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺(EMITFSI)中的至少一种。
步骤(3)中,所述有机溶剂为链状碳酸酯和环状碳酸酯的混合物。
步骤(3)中,所述高压添加剂为腈类化合物和氟代化合物的混合物。
作为优选方案,所述有机溶剂中,链状碳酸酯和环状碳酸酯的体积比为(1~3.5):1。
作为优选方案,所述链状碳酸酯选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸二异丙脂(DIPC)、碳酸二丁酯(DBC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸甲异丙酯(MIPC)、碳酸甲丁酯(MBC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸乙异丙脂(EIPC)、碳酸乙丁酯(EBC)和碳酸1,2丁烯酯(1,2-BC)中的至少一种。
作为优选方案,所述环状碳酸酯选自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)和碳酸丁烯酯(BC)中的至少一种。
作为优选方案,所述高压添加剂中,腈类化合物和氟代化合物的质量比为1:(0.1~10)。
作为优选方案,所述腈类化合物选自丁腈、丁二腈、戊二腈(GLN)、乙二腈(AND)和丙烯腈(ANN)中的至少一种。
作为优选方案,所述氟代化合物选自氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1,2-二氟代碳酸乙烯酯(DFEC)和三氟甲基碳酸乙烯酯(CF3-EC)中的至少一种。
本发明的第二方面提供由上述的制备方法制备得到的高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质。
本发明的第三方面提供一种锂离子电池,该电池包括上述高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质。
本发明的第四方面提供上述的高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质在电池领域的应用。
本发明具有以下优点:
制备的高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质具有较强的抗氧化能力,可使锂离子电池具有良好的高压循环稳定性。离子液体和聚酰亚胺凝胶聚合物使电池具有很高的耐高温性,最大限度的提高电池的安全。耐高压电解液使电池具有良好的综合电性能。本发明提供的一种高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质制备过程简单易行,具有很强的可操作性和加工性,具有广阔的应用前景。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1示出了本发明实施例1的凝胶聚合物电解质制备的电池在0.1C充/0.1C放电下的循环性能。
图2示出了本发明实施例2的凝胶聚合物电解质制备的电池在不同放电倍率下的循环性能。
图3示出了本发明实施例3的凝胶聚合物电解质制备的电池在1C充/1C放电下的循环性能。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整,并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明实施例中,涂覆是指将聚酰胺酸溶液涂覆在玻璃上。
实施例1
在50mL N-甲基吡咯烷酮中,加入等摩尔的4,4’-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐和2,2-双(3-氨基-4羟基苯基)六氟丙烷反应生成聚酰胺酸溶液。将聚酰胺酸溶液在涂覆后,经200℃高温处理,完成极性溶剂挥发和酰亚胺化反应过程,制备出聚酰亚胺多孔膜。将碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯用
Figure BDA0002865909260000051
分子筛除水24h,然后按照体积比为1:1:1:1制得有机溶剂。在有机溶剂中加入10wt%的1-甲基-3-丁基咪唑四氟硼酸;在充满氩气的手套箱内,在-3℃下,将六氟磷酸锂缓慢溶于有机溶剂中,配制浓度为1M的锂盐溶液。在配好的锂盐溶液中加入有机溶剂质量1%的丁二腈和3%的氟代碳酸乙烯酯,制备得到电解液。将制备的聚酰亚胺多孔膜完全进入配制好的电解液中,待48h后取出备用。
以LiNi0.5Mn1.5O4为正极材料,按照质量比LiNi0.5Mn1.5O4:导电剂(SP):粘结剂(PVdF)为8:1:1,混合均匀,加入一定量的NMP制成正极浆料,以铝为正极集流体,经涂布、压片、分切制成正极片。以锂片为负极材料,加入配好的凝胶聚合物电解质,在手套箱中组装成CR2032扣式电池,静置6h后待测。在25℃下,以0.1C对电池充放电,充放电电压范围3.5~4.9V。电池初始比容量为131mAh/g,循环100次后,比容量保持率为92%。
图1示出了本发明实施例1的凝胶聚合物电解质制备的电池在0.1C充/0.1C放电下的循环性能。
实施例2
在100mL N,N-二甲基甲酰胺中,加入等摩尔的4,4’-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐和2,2-双(3-氨基-4羟基苯基)六氟丙烷反应生成聚酰胺酸溶液。将聚酰胺酸溶液涂覆后,经250℃高温处理,完成极性溶剂挥发和酰亚胺化反应过程,制备出聚酰亚胺多孔膜。将碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯用
Figure BDA0002865909260000061
分子筛除水24h,然后按照体积比为2:2:2:1制得有机溶剂。在溶剂中加入15wt%的1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺。在0℃下,将六氟锂酸锂缓慢溶于有机溶剂中,配制浓度为1.2M的锂盐溶液。在配好的锂盐溶液中加入有机溶剂质量3%的丁二腈和1%的氟代碳酸乙烯酯,制备得到电解液。将制备的聚酰亚胺多孔膜完全浸入配制好的高压电解液中,待48h后取出备用。
以LiNi0.5Mn1.5O4为正极材料,按照质量比LiNi0.5Mn1.5O4:导电剂(SP):粘结剂(PVdF)为8:1:1,混合均匀,加入一定量的NMP制成正极浆料,以铝为正极集流体,经涂布、压片、分切制成正极片。以锂片为负极材料,加入配好的凝胶聚合物电解质,在手套箱中组装成CR2032扣式电池,静置6h后待测。在25℃下,以0.1C、0.2C、0.5C、1C和2C对电池充放电,充放电电压范围3.5~4.9V。电池在2C倍率下循环80次后,比容量保持率为88%。
图2示出了本发明实施例2的凝胶聚合物电解质制备的电池在不同放电倍率下的循环性能。
实施例3
100mL N,N-二甲基乙酰胺中,加入等摩尔的4,4’-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐和2,2-双(3-氨基-4羟基苯基)六氟丙烷反应生成聚酰胺酸溶液。将聚酰胺酸溶液涂覆后,经280℃高温处理,完成极性溶剂挥发和酰亚胺化反应过程,制备出聚酰亚胺多孔膜。将碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯用
Figure BDA0002865909260000071
分子筛除杂除水,然后按照体积比为1:1:1制得有机溶剂。在溶剂中加入20wt%的1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺。在-5℃下,将六氟磷酸锂缓慢溶于有机溶剂中,配制浓度为1.3M的锂盐溶液。在配好的锂盐溶液中加入有机溶剂质量2%的丁二腈和1%的氟代碳酸乙烯酯,制备得到电解液。将制备的聚酰亚胺多孔膜完全浸入配制好的高压电解液中,待48h后取出备用。
以LiNi0.5Mn1.5O4为正极材料,按照质量比LiNi0.5Mn1.5O4:导电剂(SP):粘结剂(PVdF)为8:1:1,混合均匀,加入一定量的NMP制成正极浆料,以铝为正极集流体,经涂布、压片、分切制成正极片。以锂片为负极材料,加入凝胶聚合物电解质,在手套箱中组装成CR2032扣式电池,静置6h后待测。在25℃下,以1C对电池充放电,充放电电压范围3.5~4.9V。电池初始容量为129mAh/g,循环90次后,比容量保持率为85%。
图3示出了本发明实施例3的凝胶聚合物电解质制备的电池在1C充/1C放电下的循环性能。
实施例4
在200mL N-甲基吡咯烷酮中,加入等摩尔的4,4’-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐和2,2-双(3-氨基-4羟基苯基)六氟丙烷反应生成聚酰胺酸溶液。将聚酰胺酸溶液涂覆后,经200℃高温处理,完成极性溶剂挥发和酰亚胺化反应过程,制备出聚酰亚胺多孔膜。将碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯用
Figure BDA0002865909260000081
分子筛除水,然后按照体积比为4:2:2制得有机溶剂。在溶剂中加入18wt%的1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺。在充满氩气的手套箱内,在0℃下,将六氟磷酸锂缓慢溶于溶剂中,配制浓度为1M的锂盐溶液。在配好的锂盐溶液中加入有机溶剂质量1%的丁二腈和3%的氟代碳酸乙烯酯,制备得到高压电解液。将制备的聚酰亚胺多孔膜完全进入配制好的电解液中,待48h后取出备用。
实施例5
在300mL N-甲基吡咯烷酮中,加入等摩尔的4,4’-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐和2,2-双(3-氨基-4羟基苯基)六氟丙烷反应生成聚酰胺酸溶液。将聚酰胺酸溶液涂覆后,经200℃高温处理,完成极性溶剂挥发和酰亚胺化反应过程,制备出聚酰亚胺多孔膜。将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯用质量比为1:1的
Figure BDA0002865909260000082
Figure BDA0002865909260000083
分子筛除水,然后按照体积比为3:0.5:2:2制得有机溶剂。在溶剂中加入25wt%的1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺。在充满氩气的手套箱内,在0℃下,将六氟磷酸锂缓慢溶于有机溶剂中,配制浓度为1.1M的锂盐溶液。在配好的锂盐溶液中加入有机溶剂质量1%的丁二腈和1%的氟代碳酸乙烯酯,制备得到高压电解液。将制备的聚酰亚胺多孔膜完全进入配制好的电解液中,待48h后取出,完成高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质的制备。
实施例6
在500mL N-甲基吡咯烷酮中,加入等摩尔的4,4’-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐和2,2-双(3-氨基-4羟基苯基)六氟丙烷反应生成聚酰胺酸溶液。将聚酰胺酸溶液涂覆后,经200℃高温处理,完成极性溶剂挥发和酰亚胺化反应过程,制备出聚酰亚胺多孔膜。将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯用质量比为2:1的
Figure BDA0002865909260000084
Figure BDA0002865909260000085
分子筛除水,然后按照体积比为3:0.5:1:3制得有机溶剂。在溶剂中加入50wt%的1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺。在充满氩气的手套箱内,在0℃下,将六氟磷酸锂缓慢溶于有机溶剂中,配制浓度为1.2M的锂盐溶液。在配好的锂盐溶液中加入有机溶剂质量1%的丁二腈和2%的氟代碳酸乙烯酯,制备得到高压电解液。将制备的聚酰亚胺多孔膜完全进入配制好的电解液中,待48h后取出,完成高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质的制备。
以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质的制备方法,其特征在于,该制备方法包括:
(1)将含氟芳香二胺和含氟芳香二酐在极性溶剂存在下进行反应,得到聚酰胺酸溶液;
(2)将聚酰胺酸溶液在平板上进行涂覆,经高温处理,完成极性溶剂挥发造孔和酰亚胺化反应,得到聚酰亚胺多孔膜;
(3)在干燥惰性气体保护下,将锂盐溶解在离子液体与有机溶剂的混合溶剂中,得到锂盐溶液;
向锂盐溶液中加入高压添加剂,得到锂离子电池高压电解液;
(4)在干燥惰性气体保护下,将聚酰亚胺多孔膜浸入高压电解液中进行充分溶胀,得到所述高电压高安全型聚酰亚胺凝胶聚合物电解质。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其中,步骤(1)中,
所述极性溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二甲基乙酰胺中的至少一种;
所述含氟芳香二胺和所述含氟芳香二酐的摩尔比为1:0.8-1.2;
所述含氟芳香二胺为2,2-双(3-氨基-4羟基苯基)六氟丙烷;
所述含氟芳香二酐为4,4’-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其中,步骤(2)中,所述高温处理的温度为200-280℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其中,步骤(3)中,
离子液体与有机溶剂质量比为(0.1~1):1;
锂盐溶液中锂盐的浓度为1mol/L~1.3mol/L;
相对于有机溶剂的质量,高压添加剂的添加量为0.5%~5%。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其中,步骤(3)中,
所述锂盐选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双乙二酸硼酸锂、三氟甲基磺酸锂、二(三氟甲基)磺酰亚胺锂和二氟草酸硼酸锂中的一种;
所述离子液体选自1-甲基-3-丁基咪唑四氟硼酸、1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺和1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺中的至少一种;
所述有机溶剂为链状碳酸酯和环状碳酸酯的混合物;
所述高压添加剂为腈类化合物和氟代化合物的混合物。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其中,
所述有机溶剂中,链状碳酸酯和环状碳酸酯的体积比为(1~3.5):1;
所述链状碳酸酯选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸二异丙脂、碳酸二丁酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸甲异丙酯、碳酸甲丁酯、碳酸乙丙酯、碳酸乙异丙脂、碳酸乙丁酯和碳酸1,2丁烯酯中的至少一种;
所述环状碳酸酯选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其中,
所述高压添加剂中,腈类化合物和氟代化合物的质量比为1:(0.1~10);
所述腈类化合物选自丁腈、丁二腈、戊二腈、乙二腈和丙烯腈中的至少一种;
所述氟代化合物选自氟代碳酸乙烯酯、1,2-二氟代碳酸乙烯酯和三氟甲基碳酸乙烯酯中的至少一种。
8.由权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制备得到的高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质。
9.一种锂离子电池,其特征在于,该电池包括权利要求8所述高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质。
10.权利要求8所述的高电压高安全型聚酰亚胺聚合物电解质在电池领域的应用。
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