CN1320687C - 用于笔记本电脑的聚合物电解质隔膜的超高比能量锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种聚合物电解质隔膜及用该膜制造笔记本电脑超高比能量锂电池的技术。聚合物电解质隔膜的特点是，该聚合物电解质隔膜中使用了一种厌硫增塑剂。聚合物电解质膜主要由50wt.%的聚合物基体、5-30wt.%的导电锂盐、5-35wt.%的厌硫增塑剂和10wt.%的纳米陶瓷添加剂组成。应用此聚合物电解质膜所制造的超高比容量聚合物锂电池，能使笔记本电脑持续工作8小时。

Description

用于笔记本电脑的聚合物电解质隔膜的超高比能量锂电池
技术领域
本发明专利涉及笔记本电脑的锂电池制造技术。
背景技术
现今市场中笔记本电脑电池的使用时间大多为3-4小时。不久前IBM同时推出7款被誉为“七星剑阵”的PC产品，其中的ThinkPad X22这款超轻超薄型笔记本电脑的高能锂电池使用时间达到了5小时。为了满足用户的更高的要求，最常用的办法就是安装外接锂电池，如联想的笔记本电脑昭阳A820，用户可以凭借两块电池完成8小时无电源的正常工作；日商JVC公司推出标准配备外接大容量锂电池的迷你迅驰笔记本电脑——InterLink MP-XP7310LL，最长工作时间可达9.5小时(内建锂电池+外接大容量锂电池)。安装外接电源无疑会增加笔记本电脑的重量，携带起来就很不方便。
锂电池在体积和重量的限定下，容量不足是造成笔记本电脑待机时间短的根本原因。单个锂电池的容量主要受到电池的正极和负极材料的极限容量限制。目前普通技术采用的锂电池正极材料多为LiCoO2，其实际比容量只有140mAh/g。负极材料多为LiC6，其实际比容量也只有350mAh/g。针对这一情况，研究者提出了用金属锂作负极材料，因为金属锂的比容量可达3860mAh/g。用含硫化合物作正极材料(CN1387271A)，因为含硫化合物的比容量最高可达1500mAh/g。采用这样的新材料正负极体系的锂电池的质量比能量和体积比能量大大体高，即所谓的超高比能量的锂电池(US Patent No.5523179)(US Patent No.228262)。超高比能量的锂电池由于使用了金属锂作负极材料，适合采用固体电解质隔膜或固体聚合物电解质隔膜。目前这一类单层隔膜的聚合物电解质(J.Power Sources，89，219)(第43回日本电池讨论会，3A01)不能完全阻止硫正极在电解质中的溶解扩散。硫扩散到电池负极会引起副反应发生，导致电池循环寿命急剧下降。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上技术的缺点，提供一种聚合物电解质材料的单层隔膜，并提供用此种电解质隔膜制造超高比能量锂电池的方法，使用此电池可实现笔记本电脑一次充电持续工作8小时这一目标，并且电池的循环寿命可达200次以上。
本发明提供的一种聚合物电解质单层隔膜及采用此种电解质隔膜制造超高比能量锂电池的方法包括：
I.聚合物电解质隔膜的制造方法
本发明的聚合物电解质的特点是，在聚合物电解质隔膜中使用有防硫作用的增塑剂，该增塑剂与聚合物基交联形成网状结构，起到阻止硫扩散的作用。
将50wt.％聚合物基体(氧化聚乙烯(PEO)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或聚丙烯腈(PAN)，或聚偏氟乙烯(PVDF)，或聚偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP))溶于3-4倍质量的CH3CN溶剂中。然后，加入5-30wt.％导电锂盐(Li(CF3SO2)2N，或LiClO4，或LiAsO6，或LiBF4，或LiPF6，或LiSCN，或LiI，或LiCF3SO3或Li(C2F5SO3)2N)以及10wt.％的纳米陶瓷添加剂(TiO2，或Al2O3，或BaTiO3，或SiO2，或CaCO3)，充分搅拌混合形成高电导率的电解质体系。在以上浆体中加入一种能完全共溶的通式I环氧树脂作为厌硫增塑剂，用量为5-35wt.％，充分搅拌共混2小时，将浇注的浆料通以高纯氮气2小时以除去溶剂CH3CN，得到的一定厚度的聚合物隔膜，在60℃-100℃真空干燥，交联5小时，得到防硫扩散作用的电解质隔膜。
通式I环氧树脂如下：
Figure C20031012082800041
R1，R2，R3，R4为烷基
n，m，x为1～20的正整数
本发明聚合物电解质隔膜电到率达到1.2×10-3Scm-1。
II.用本发明电解质隔膜制造的聚合物锂电池
正极：70wt.％硫单质正极活性物质，15wt.％乙炔黑导电添加剂和15wt.％的PVDF黏结剂充分研磨混合均匀后，按质量比1∶10加入CH3CN溶剂并充分搅拌5小时，将浆体涂覆在5微米厚的金属铝箔上，随后在60℃真空干燥5小时后，压制成120微米厚的复合正极。
负极：50微米厚的薄金属锂片负极。
将本发明I的聚合物电解质隔膜，复合正极和薄金属锂片负极通过卷饶封接制备成超高比能量的电池。
附图说明
图1是用本发明电解质隔膜制备的锂电池的充电曲线。
图2是用本发明电解质隔膜制备的锂电池的放电曲线。
图3是本发明的超高比能量电池的充电容量和循环寿命次数的关系图。
图4是本发明的超高比能量电池的放电容量和循环寿命次数的关系图。
具体实施方式
采用本发明I的聚合物电解质隔膜，按照本发明II的聚合物锂电池制造方法所制造的聚合物锂电池。
电池的主要性能和参数如下：
金属锂片负极∶硫单质正极＝3∶1(容量比)
正极厚度：0.12mm
负极厚度：0.05mm
聚合物电解质隔膜厚度：0.06mm
充电电压：3.2V
放电电压：1.5V
充电电流密度：200μA/cm2
放电电流密度：200μA/cm2
电池容量：3000mAh
本发明电解质隔膜制备的锂电池的充电曲线如图1所示，放电曲线如图2所示，充电容量和循环寿命次数的关系如图3所示，放电容量和循环寿命次数的关系如图4所示。

Claims (2)

1.一种聚合物电解质隔膜，其特征是
(1)聚合物电解质隔膜中含有5-35wt.％的环氧树脂厌硫增塑剂；
(2)聚合物电解质隔膜中含有50wt.％的聚合物基体；
(3)聚合物电解质隔膜中含有5-30wt.％的导电锂盐；
(4)聚合物电解质隔膜中含10wt.％的纳米陶瓷；
(5)聚合物电解质隔膜中的网状结构是由上述(1)项中所述的增塑剂和(2)项中所述的聚合物基体交联形成的。
2.一种用于笔记本电脑的聚合物锂电池，其特征是：该聚合物锂电池使用根据权利要求1所述的聚合物电解质隔膜。
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