CN116914240A - 一种用于锂电池过热保护的凝胶电解质、制备方法以及锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于锂电池过热保护的凝胶电解质、制备方法以及锂电池，制备方法具体包括如下步骤：步骤一、制备电解质基体：步骤1.1、将一定量的N‑异丙基丙烯酰胺和丙烯酸按照一定的摩尔比加入水中；步骤1.2、将交联剂和引发剂加入中步骤1.1得到的溶液中并混合均匀；步骤1.3、将步骤1.2得到的溶液倒在干净的铝箔上并自由平铺；步骤1.4、使用紫外光照射所述铝箔上的溶液，使其固化交联，得到聚合物；步骤1.5、将得到的聚合物放入烘箱中充分干燥、去除水分；步骤1.6、将步骤1.5得到的产品裁剪成扣电隔膜大小，得到电解质基体。步骤二、制备凝胶电解质：步骤2.1、取适量电解液，加入一定量的锂盐；步骤2.2、将步骤1.6得到的所述电解质基体浸泡到步骤2.1得到的电解液中，得到凝胶电解质。采用本发明的电解质的锂电池具有过热自动保护的效果。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池的电解质，尤其涉及一种用于锂电池过热保护的凝胶电解质、制备方法以及锂电池。
背景技术
锂离子电池具有能量密度大、无记忆效应、环境友好且自放电小等优点，长期以来一直被认为是有前途的高能量密度可充电电池。然而，随着应用领域的扩展，特别是从小型便携式电子产品向更高电池容量需求的动力和储能领域的发展，对锂离子电池提出了越来越高的技术挑战，特别是电池的安全性。这些设备在超快充电/放电过程或危险条件下会产生大量热量，如过充电和短路，导致超压和过热，一旦不能及时消除热量积聚，不可避免地会对敏感电子元件造成不可逆的损坏，甚至导致严重的热失控问题，如爆炸和燃烧，严重威胁消费者的健康和生命安全。由此可见，电化学存储装置中热失控的有效控制是研究的重要方向。
热响应性聚合物的可逆相变过程可被用于有效抑制热失控。在室温下，热响应性聚合物可以均匀地分散在溶剂中并使其相对自由移动。当温度升高超过某一特定值时，导致聚合物内部微结构的巨大变化，从而将抑制聚合物链及其周围导电分子的自由运动，使电池在温度升高时电导率下降甚至关闭，避免电池在高温下持续工作，进而提高安全性。并且随着温度下降，由于相变的可逆性，这种电解质又可以恢复到均匀状态，使电池可以继续工作，从而避免电池直接损坏更换所造成的浪费。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于锂电过热保护的凝胶电解质、制备方法以及锂电池，能够实现锂电池的过热保护。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种用于锂电过热保护的凝胶电解质的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、制备电解质基体：
步骤1.1、将一定量的N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸按照一定的摩尔比加入水中；
步骤1.2、将交联剂和引发剂加入中步骤1.1得到的溶液中并混合均匀；
步骤1.3、将步骤1.2得到的溶液倒在干净的铝箔上并自由平铺；
步骤1.4、使用紫外光照射所述铝箔上的溶液，使其固化交联，得到聚合物；
步骤1.5、将得到的聚合物放入烘箱中充分干燥、去除水分；
步骤1.6、将步骤1.5得到的产品裁剪成扣电隔膜大小，得到电解质基体。
步骤二、制备凝胶电解质：
步骤2.1、取适量电解液，加入一定量的锂盐；
步骤2.2、将步骤1.6得到的所述电解质基体浸泡到步骤2.1得到的电解液中，得到凝胶电解质。
优选地，步骤1.1中，N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸的摩尔比为2:8～8:2。
优选地，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，约占N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸质量的0.2％。
优选地，在步骤1.4中，紫外光照射时间为1-10分钟。
优选地，在步骤1.5中，烘干温度为80-100℃，烘干时间为8-24小时。
优选地，步骤2.1得到的电解液的锂盐浓度为0.5～1mol/L。
优选地，步骤2.2中浸泡温度50～80℃，浸泡时间为6～12h。
本发明还提供了一种锂电池，其特征在于，包括正极、负极以及上述凝胶电解质。
优选地，所述正极采用磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰三元材料中的一种或多种，和/或，负极采用金属锂、石墨、硅负极、硅碳负极、氧化亚硅和钛酸锂中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在本发明的凝胶电解质中，由于聚合物NIPAM和EC的相互作用，凝胶可以在不同温度下吸收不同质量的EC溶液，具体地，温度越高，凝胶对电解液吸收能力越好，进而在高温下凝胶能够吸收更多的电解液，从而达到溶胀状态，变为透明凝胶，此时电解液的流动受到束缚，从而抑制锂电池在高温下继续工作，当锂电池的工作能力下降后，其温度也会逐渐下降，直到降低到一定温度，锂电池恢复正常工作，可见，本发明的凝胶电解质具有锂电池过热保护的作用。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的凝胶实物图；
图2是用凝胶电解质在不同温度下吸液量；
图3是凝胶电解质阻抗测试结果图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例一
一种用于锂电过热保护的凝胶电解质的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、制备电解质基体：
步骤1.1、将一定量的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酸(AA)按照一定的摩尔比加入水中；
步骤1.2、将交联剂和引发剂加入中步骤1.1得到的溶液中并混合均匀；
步骤1.3、将步骤1.2得到的溶液倒在干净的铝箔上并自由平铺；
步骤1.4、使用紫外光照射所述铝箔上的溶液，使其固化交联，得到聚合物；
步骤1.5、将得到的聚合物放入烘箱中充分干燥、去除水分；
步骤1.6、将步骤1.5得到的产品裁剪成扣电隔膜大小，得到电解质基体。
步骤1.1中，N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酸(AA)的摩尔比为2:8～8:2。
所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，约占N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酸(AA)质量的0.2％。
所述引发剂可以是二苯甲酮类(BP)、杂蒽酮类(TX)、二芳基膦氧化物类(BAPO)，大分子α-羟基酮类中的一种，约占N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酸(AA)质量的2％。
在步骤1.4中，紫外光照射时间为1-10分钟。
在步骤1.5中，烘干温度为80-100℃，烘干时间为8-24小时。
步骤二、制备凝胶电解质：
步骤2.1、取适量电解液，加入一定量的锂盐；
步骤2.2、将步骤1.6得到的所述电解质基体浸泡到步骤2.1得到的电解液中，得到凝胶电解质。
优选地，步骤2.1得到的电解液的锂盐浓度为0.5～1mol/L。
优选地，步骤2.2中浸泡温度50～80℃，浸泡时间为6～12h。
实施例二
该实施例为一种锂电池，包括正极、负极以及实施例一中的凝胶电解质。该锂电池可以在室温下正常工作，高温时聚合物对EC电解液吸收能力增强，减缓电解液流动从而对电池正常工作起到抑制作用，进而能够实现在电池过热时起到保护的作用，并且这个过程是可逆的，过热的电池由于电解液被吸收，对外提供的电能变少，进而温度会逐渐降低。
所述正极可以采用磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰三元材料中的一种或多种，负极可以采用金属锂、石墨、硅负极、硅碳负极、氧化亚硅和钛酸锂中的一种或多种。
实验例一
凝胶电解质的制备：在室温取0.452gNIPAM和0.432gAA(摩尔比为4：6)加入5g水中，随后加入0.0018gPEGDA作为交联剂和0.018g的2-羟基-2甲基苯丙酮作为引发剂，在室温下搅拌6h使其充分混合，随后将得到的溶液平铺在干净的铝箔上，将其置于紫外光下照射2分钟，使其充分固化，随后将固化后的凝胶电解质基体放入烘箱中80℃干燥12h充分去除水分得到干燥的凝胶基体，并将其裁剪成扣电隔膜大小；在含水量＜0.01ppm，含氧量＜0.1ppm的手套箱中将EC加热融化，取5mlEC并向其中加入1.435gLiTFSI充分溶解后得到1mol/L电解液，随后在手套箱中将凝胶基体浸泡在上述电解液中，并加热至50℃，浸泡12h使其充分吸收电解液，恢复到室温后得到凝胶电解质。其UCST可以达到80℃，在室温下测量阻抗并计算其离子电导率，离子电导率可以达到2.2×10-1S/cm，阻抗测试结果如图3所示。
实验例二
基于凝胶电解质的锂金属电池的制备：在在含水量＜0.01ppm，含氧量＜0.1ppm的手套箱中，取LFP811(理论比容量160mAh g-1)极片作为正极材料，实施例1中的凝胶作为电解质和隔膜，并使用锂金属为正极材料，组装成扣式电池，在室温下搁置8h后，使用新威电池测试系统对其进行充放电测试，在0.05C的充电倍率下，其首圈充电比容量可达到154mAhg-1。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种用于锂电池过热保护的凝胶电解质的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一、制备电解质基体：
步骤1.1、将一定量的N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸按照一定的摩尔比加入水中；
步骤1.2、将交联剂和引发剂加入中步骤1.1得到的溶液中并混合均匀；
步骤1.3、将步骤1.2得到的溶液倒在干净的铝箔上并自由平铺；
步骤1.4、使用紫外光照射所述铝箔上的溶液，使其固化交联，得到聚合物；
步骤1.5、将得到的聚合物放入烘箱中干燥；
步骤1.6、将步骤1.5得到的产品裁剪成扣电隔膜大小，得到电解质基体；
步骤二、制备凝胶电解质：
步骤2.1、取适量电解液，加入一定量的锂盐；
步骤2.2、将步骤1.6得到的所述电解质基体浸泡到步骤2.1得到的电解液中，得到凝胶电解质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1.1中，N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸的摩尔比为2:8～8:2。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，约占N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸质量的0.2％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1.4中，紫外光照射时间为1-10分钟。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1.5中，烘干温度为80-100℃，烘干时间为8-24小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2.1得到的电解液的锂盐浓度为0.5～1mol/L。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2.2中浸泡温度50～80℃，浸泡时间为6～12h。
8.一种凝胶电解质，采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备。
9.一种锂电池，其特征在于，包括正极、负极以及权利要求8所述的凝胶电解质。
10.根据权利要求9所述的一种锂电池，其特征在于，所述正极采用磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰三元材料中的一种或多种，和/或，负极采用金属锂、石墨、硅负极、硅碳负极、氧化亚硅和钛酸锂中的一种或多种。
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| KR20070024886A (ko) * | 2005-08-31 | 2007-03-08 | 주식회사 효성 | 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질 |
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