CN117457983A - 一种原位聚二氧戊环固态电解质、固态电池及其制备方法 - Google Patents

一种原位聚二氧戊环固态电解质、固态电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位聚二氧戊环固态电解质、固态电池及其制备方法，所述固态电解质的原料包括二氧戊环液体、锂盐、界面改性剂、引发剂和聚乙二醇类交联剂，固态电解质的制备方法为：将上述原料均匀混合得到混合溶液，混合溶液在室温条件下聚合形成固态电解质；在混合溶液中，聚合物单体和锂盐的摩尔比为10‑20：1，界面改性剂占混合溶液总质量的10‑30％，聚乙二醇类交联剂占混合溶液总质量的5‑10％。本发明通过对固态电解质进行改进，同时与多孔膜相配合，可以使聚二氧戊环固态电解质平整铺设在极片上，得到的固态电池不仅具有优异的离子电导性能，还具有优异的机械强度性能。

Description

一种原位聚二氧戊环固态电解质、固态电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及固态电池领域，特别涉及一种原位聚二氧戊环固态电解质、固态电池及其制备方法。
背景技术
随着电动车的普及，市场对电池能量密度的要求越来越高，同时也暴露出与能量密度增加相关的安全问题。在传统有机液态电池中，液体电解质负责锂离子在电池中的传输功能，而隔膜则用于防止正负极电极材料的短路。固态电解质技术可以将传统液态电池中的两层隔膜和有机电解质液体替换为一层固态隔膜，从而减小整个电池的体积和质量。此外，将负极材料由石墨替换为锂片不仅能增加电池的能量密度，还可以有效避免由有机液体电解质分解引起的热失控安全问题。固态电解质具有以下优点：
(1)可加工性和可调节的物理化学特性：固态电解质可以在加工过程中进行调控，以适应不同需求；
(2)锂离子在固态聚合物电解质基体中的传输受大分子链段运动的驱动，可以缓解不均匀的锂沉积，并通过薄膜的机械强度抑制树状锂的生长，提高锂金属电池的循环性能；
(3)高热稳定性和低易燃性：固态电解质的热稳定性较高，且不易燃烧，使得组装好的锂电池具有更高的安全性；
(4)通过有效的加工方法，可以制备超薄、超轻的聚合物隔膜，从而实现高能量密度的电池。
尽管固态电解质具有众多优点，但是目前固态电解质在实际应用中仍面临一些困难。相较于液态电解质，固态电解质的电导率较低，并且固态电解质与电极材料之间的界面接触也是一个重要问题。此外，循环充放电过程中锂枝晶的生成等一系列问题也限制了固态电解质的应用。因此，我们需要通过对正极极片表面原位热引发聚合、多孔膜吸收层的使用以及添加界面改性等手段来优化固态电解质与电极之间的界面特性和离子电导率，这些深入系统的基础研究将有助于推动我国固态离子学和储能材料学科的发展。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种原位聚二氧戊环固态电解质、固态电池及其制备方法，以克服现有固态电池所存在的不足。
本发明采用的技术方案如下：一种原位聚二氧戊环固态电解质，所述固态电解质的原料包括二氧戊环液体、锂盐、界面改性剂、引发剂和聚乙二醇类交联剂，固态电解质的制备方法为：将上述原料均匀混合得到混合溶液，混合溶液在室温条件下聚合形成固态电解质。
进一步，在混合溶液中，聚合物单体和锂盐的摩尔比为10-20：1，例如可以为10:1、13：1、15:1、17:1、18:1、20:1等。界面改性剂占混合溶液总质量的10-30％，例如可以是10％、15％、20％、30％等，界面改性剂的用量不宜过多或过少，过少则会导致界面改性效果不佳无法形成有效的LiF中间固态电解质层，界面接触效果差电池性能受到影响，过多则会使整体粘度增加，在组装电池施加压力时有凝胶态物质被挤出导致电池短路。
在本发明中，本发明选用聚乙二醇类交联剂，并具体选用聚乙二醇二缩水甘油醚，其化学结构式为(C2H4O)nC6H10O3，其中n为1-50，通过试验验证，该交联剂具有如下技术优势：
1、可以将聚二氧戊环小分子交联起来，形成一个多臂结构，多臂结构能够使得聚合物分子量变大，机械性能变强；
2、通过交联制备的多臂结构能够有效较低线性聚二氧戊环的结晶性，有利于锂离子的传输；
3、相较于没有添加交联剂的聚二氧戊环聚合物，多臂聚二氧戊环具有更高的电化学和热稳定性。
进一步，上述聚乙二醇二缩水甘油醚的n值不宜取值过大，当n值超过50时，则分子量过大，其不好分散并溶解于单体中。
进一步，聚乙二醇类交联剂占混合溶液总质量的5-10％，例如可以是5％、6％、8％、10％等，其用量不宜过多或过少，过多会导致体系聚合效果不佳，过少会导致交联效果变差，无法发挥交联剂效果。
进一步，所述界面改性剂优选为氟代碳酸乙烯酯。
进一步，所述锂盐选自双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、高氯酸锂、氯化锂、三(五氟乙基)三氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂中的一种或多种组合。
进一步，所述引发剂为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂的一种。
进一步，所述室温条件引发聚合的温度为20-30℃，时间为12-24h。
进一步，本发明还包括一种固态电池的制备方法，包括以下步骤：
A、选用多孔膜作为基底；
B、选取二氧戊环液体为聚合单体，将锂盐、界面改性剂、引发剂和聚乙二醇类交联剂加入到混合容器中，搅拌分散均匀，得到混合溶液；
C、制备带有活性正极材料的正极极片，放入聚四氟乙烯的模具中，将步骤A的多孔膜平铺在正极极片上，再将步骤B所得的混合溶液平铺在多孔膜上；
D、将带有活性负极材料的负极极片放置在上述平铺有混合溶液的多孔膜上，然后按三明治形状进行组装；
E、将步骤D的三明治结构封装在扣式电池或铝塑膜中，在室温条件下放置一段时间引发聚合，即得。
进一步，所述多孔膜选自多孔纳米纤维膜、玻璃纤维膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜中的一种。
进一步，所得到的固态电解质的厚度为50-200μm，例如可以为50μm、60μm、100μm、200μm等，具体参数可根据实际生产情况选择。
进一步，本发明还包括一种固态电池，，所述固态电池通过上述制备方法制备得到。
进一步，固态电池的活性正极材料为钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、尖晶石镍锰酸锂材料和富锂锰材料中的一种或多种；固态电池的活性负极材料为石墨、硅基材料、软碳、硬碳和金属锂中的一种或多种。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明采用多孔膜作为支撑层，其具有较大的比表面积和孔隙结构，能够高效吸收聚合物单体和界面改性液，通过多孔膜的吸附作用，可以克服聚合物单体和改性液在极片表面的表面张力，使整个极片表面更加平整，这种平整的表面有助于提高固态电池的性能，包括电导率和离子传输速率；
2、本发明采用聚乙二醇二缩水甘油醚作为聚合交联剂，由于分子间的交联作用，聚合物材料的链之间形成了更紧密的关联，从而使材料的机械强度得到提高，并且能够更好地承受外部拉伸、压缩和弯曲等力的作用，聚合物材料的交联还可以抑制聚合反应后的体积收缩，提高材料的尺寸稳定性，进而整体上提高聚合物材料的热稳定性和机械强度；同时，由于交联结构的形成，聚合物材料分子链之间的距离变得较远，从而使它们对化学物质的侵蚀能力降低，使聚合物材料更加抗化学侵蚀，从而延长材料的使用寿命，提高了聚合物材料的耐化学性能；
3、本发明采用聚乙二醇二缩水甘油醚交联剂，在化学结构中含有大量的-C-O-C结构，该结构被广泛证明可以通过摇椅形式传输锂离子，有利于提高电池性能。
具体实施方式
下面对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种固态电池，其制备方法包括如下步骤：
S1.1、将一定质量的PVDF(聚偏二氟乙烯)粉末加入DMAc(二甲基乙酰胺)和丙酮混合溶剂中，制备PVDF纺丝溶液；
S1.2、用注射器抽取一定量的纺丝液，将其置于注射泵上，将高压静电发生器的正极与针头相连，负极或接地线与接收屏相连，调整针头与接收屏的距离为，缓慢升高电，纺丝液经高压电场作用从针头喷出，经拉伸劈裂等过程，最终沉积在接收屏上，得到纳米纤维PVDF膜；
S2.1、将纳米纤维PVDF膜放在真空干燥箱中干燥，备用；
S2.2、为避免锂盐水解，将LiTFSI存放于手套中保存，备用；
S2.3、将LiTFSI溶解在1、3二氧戊环(DOL)中，按摩尔比为1：10的比例混合，并在室温下搅拌一定时间使锂盐溶解在DOL中，聚乙二醇二缩水甘油醚(PEG)交联剂加入DOL溶液中，并连续搅拌1h，交联剂的量为丙烯酸丁酯质量的10％，得到搅拌均匀的混合物；
S2.4、向上述混合溶液中加入氟代碳酸乙烯酯(FEC)，质量占总质量的20％，混合搅拌均匀后待用；向混合溶液中加入六氟磷酸锂作为引发剂，质量占总质量的5％；
S3、将带有正极活性材料(磷酸铁锂活性材料)的正极极片放置于聚四氟乙烯(PTFE)模具上，再将S2.1的纳米纤维PVDF膜平铺在正极极片上，将混合物倒入上述聚四氟乙烯模具中；
S4、组装2032扣式固态电池，负极采用锂金属片为负极电极片，用切片机裁剪为直径为18mm、16mm和16mm的圆片，组装三明治结构扣式固态电池，将组装后的扣式电池放置于烘箱中，25℃下放置12小时。
采用直径为16mm的不锈钢片组装三明治结构固态电池测试固态电解质交流阻抗，采用直径为16mm的锂金属片组装三明治结构固态电池测试固态电解质室温离子电导率。
实施例2
一种固态电池，其制备方法包括如下步骤：
S1、选用商业聚乙烯Celgard多孔膜作为基膜；
S2.1、为避免锂盐水解，将LiTFSI存放于手套中保存，备用；
S2.2、将LiTFSI溶解在1、3二氧戊环(DOL)中，按1：10的摩尔比例混合，并在室温下搅拌一定时间使锂盐溶解在DOL中，聚乙二醇二缩水甘油醚(PEG)交联剂加入DOL溶液中，并连续搅拌1h，交联剂的量为丙烯酸丁酯质量的10％，得到搅拌均匀的混合物；
S2.3、向上述混合溶液中加入氟代碳酸乙烯酯(FEC)，质量占总质量的20％，混合搅拌均匀后待用；向混合溶液中加入六氟磷酸锂作为引发剂，质量占总质量的5％；
S3、将带有正极活性材料(磷酸铁锂活性材料)的正极极片放置于聚四氟乙烯(PTFE)模具上，再将S1的多孔膜平铺在正极极片上，将混合物倒入上述聚四氟乙烯模具中；
S4、组装2032扣式固态电池，负极采用锂金属片为负极电极片，用切片机裁剪为直径为18mm、16mm和16mm的圆片，组装三明治结构扣式固态电池，将组装后的扣式电池放置于烘箱中，25℃下放置12小时。
采用直径为16mm的不锈钢片组装三明治结构固态电池测试固态电解质交流阻抗，采用直径为16mm的锂金属片组装三明治结构固态电池测试固态电解质室温离子电导率。
对比例1
对比例1与实施例1相同，其不同之处在于，对比例1没有添加纳米纤维PVDF膜。
对比例2
对比例2与实施例1相同，其不同之处在于，对比例3未加入交联剂。
对比例3
对比例3与实施例1相同，其不同之处在于，对比例3的交联剂加入量为总质量的50％。
对比例4
对比例4与实施例1相同，其不同之处在于，对比例4未加入引发剂。
对比例5
对比例5与实施例1相同，其不同之处在于，对比例5固态电池聚合引发处理时间为5小时。
对比例6
对比例6与实施例1相同，其不同之处在于，对比例6未加入界面改性剂。
对比例7(界面改性剂过量的情况)
对比例7与实施例1相同，其不同之处在于，对比例7中氟代碳酸乙烯酯的加入量为占总质量的40％。
实施例与对比例组装的2032扣式固态电池试验检测结果如表1所示。
表1实施例与对比例扣式固态电池性能检测结果
由表1可以得到，实施例1的室温电导率为6.3×10-3S/cm，实施例2的室温电导率为5.7×10-3S/cm，两者区别在于实施例1的基膜采用纳米纤维膜，而实施例2基膜采用Celgard多孔膜；两者相比离子电导率，纳米纤维膜略高于Celgard多孔膜，虽然两者离子电导率数据差距不大，但是拉伸强度性能却有较大差距，这是由于纳米纤维膜拉伸强度性能普遍较差，而Celgard多孔膜的拉伸强度较强。
进一步，由对比例1与实施例1对比可知，在没有添加纳米纤维PVDF膜的情况下，其电导率为4.5×10-3S/cm，拉伸强度为0.5MPa，由此说明多孔膜的引入能够有效提高拉伸强度性能，离子传导性能也有适量提升，同时，通过发明人分析得到如下结论：多孔膜的加入能够改善整个电解质的无定型区域，而纳米纤维PVDF膜本身具有很多的活性位点，能够提供一定的离子传导性，加入到基体中能够有效提高离子电导率，因此实施例1电导率高于对比例1以及实施例2；
进一步，由对比例2与实施例1对比可知，在没有加入交联剂的情况下，离子电导率为3.9×10-3S/cm，拉伸强度为12MPa，交联剂的引入能够将聚DOL小分子交联在一起，提高其分子量，在缺乏交联剂的情况下，晶相区域增加，锂离子在体系中的传导受到阻碍，因此离子传导率有所下降，同时交联程度减弱，拉伸强度也随之降低。对比例3加入了总质量50％的交联剂，体系交联程度大大提升，其拉伸强度也达到了25MPa，虽然拉伸强度大大提升，但是离子传导率却大幅下降，这是由于交联程度过大，聚合物中的大分子交联在一起，导致晶相区域增加，大大阻碍了锂离子在聚合物中传输；
进一步，由对比例4与实施例1对比可知，在没有加入引发剂的情况下，聚合物无法聚合，因此液体无法固化；
进一步，由对比例5与实施例1对比可知，聚合时间只有5h时，短时间的聚合会导致体系小分子量聚合物的累计，聚合完成度不高，因此无法获得较高性能的固态电解质；
进一步，由对比例6与实施例1对比可知，在未加入界面改性剂时，离子电导率有所下降，这是由于界面改性剂可以提高电解质的界面稳定性，进而提高离子电导率。
进一步，由对比例7与实施例1对比可知，加入过量界面改性剂，虽然可以提高离子电导率，但是由于过量液体的引入，导致其拉伸强度的降低，使其机械性能下降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位聚二氧戊环固态电解质，其特征在于，所述固态电解质的原料包括二氧戊环液体、锂盐、界面改性剂、引发剂和聚乙二醇类交联剂，固态电解质的制备方法为：将上述原料均匀混合得到混合溶液，混合溶液在室温条件下聚合形成固态电解质；在混合溶液中，聚合物单体和锂盐的摩尔比为10-20：1，界面改性剂占混合溶液总质量的10-30％，聚乙二醇类交联剂占混合溶液总质量的5-10％。
2.如权利要求1所述的原位聚二氧戊环固态电解质，其特征在于，所述界面改性剂为氟代碳酸乙烯酯；所述锂盐选自双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、高氯酸锂、氯化锂、三(五氟乙基)三氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂中的一种或多种组合，所述引发剂为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂的一种；所述聚乙二醇类交联剂为聚乙二醇二缩水甘油醚，其化学结构式为(C2H4O)nC6H10O3，其中n为1-50。
3.如权利要求1或2所述的原位聚二氧戊环固态电解质，其特征在于，室温条件引发聚合的温度为20-30℃，时间为12-24h。
4.一种固态电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、选用多孔膜作为基底；
B、选取二氧戊环液体为聚合单体，将锂盐、界面改性剂、引发剂和聚乙二醇类交联剂加入到混合容器中，搅拌分散均匀，得到混合溶液；
C、制备带有活性正极材料的正极极片，放入聚四氟乙烯的模具中，将步骤A的多孔膜平铺在正极极片上，再将步骤B所得的混合溶液平铺在多孔膜上；
D、将带有活性负极材料的负极极片放置在上述平铺有混合溶液的多孔膜上，然后按三明治形状进行组装；
E、将步骤D的三明治结构封装在扣式电池或铝塑膜中，在室温条件下放置一段时间引发聚合，即得。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述多孔膜选自多孔纳米纤维膜、玻璃纤维膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜中的一种。
6.如权利要求4所述的原位聚二氧戊环固态电解质，其特征在于，所述界面改性剂为氟代碳酸乙烯酯；所述锂盐选自双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、高氯酸锂、氯化锂、三(五氟乙基)三氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂中的一种或多种组合，所述引发剂为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂的一种；所述聚乙二醇类交联剂为聚乙二醇二缩水甘油醚，其化学结构式为(C2H4O)nC6H10O3，其中n为1-50。
7.如权利要求4所述的原位聚二氧戊环固态电解质，其特征在于，室温条件引发聚合的温度为20-30℃，时间为12-24h。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所得到的固态电解质的厚度为50-200μm。
9.一种固态电池，其特征在于，所述固态电池通过权利要求4-8任一所述的制备方法制备得到。
10.如权利要求9所述的固态电池，其特征在于，固态电池的活性正极材料为钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、尖晶石镍锰酸锂材料和富锂锰材料中的一种或多种；固态电池的活性负极材料为石墨、硅基材料、软碳、硬碳和金属锂中的一种或多种。
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