[发明专利]锂离子电池离子液体基凝胶聚合物电解质及制备与应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种锂离子电池离子液体基凝胶聚合物电解质及其制备方法与应用。

背景技术

节能和环保的要求促进了新能源的发展。作为新能源发展方向的储能装置，可循环使用的二次电池扮演了主要角色。相对于铅酸电池及镍氢电池，二次锂离子电池具有高能量密度、高工作电压、循环性能好等无可比拟的优点，被广泛应用于可携带的能源装置中。目前商业化的锂离子电池普遍采用液态易燃、易挥发的有机溶剂作为电解质，但使用液态电解质背后引发的安全性问题越来越引起锂电工作者的重视。凝胶聚合物电解质(GPE)结合了液态电解质的高电导率及固态电解质的高安全性，所以问世以来就充当“安全使者”作为液态电解质的替代者。GPE由锂盐、聚合物基体及增塑剂(有机溶剂，目前广泛采用液态电解质的溶剂分子)三部分组成。聚合物基体目前制备方法包括聚合物自支撑成膜和多孔骨架膜支撑聚合物成膜，但是自支撑膜的机械强度较差，很难忍受工业生产中如卷绕工艺等的苛刻条件。所以，商业化的聚合物锂离子电池一般使用机械强度较高的支撑膜支撑聚合物形成聚合物隔膜，但是隔膜的热收缩导致正负极直接接触而引发的安全事故时有发生。虽然使用聚合物基体将有机的溶剂分子吸附形成凝胶体可以最大程度限制电解液的移动或渗漏，但使用有机的溶剂分子或增塑剂仍是高闪点、易燃物质，还存在安全隐患，必须从源头上解决安全性问题。

离子液体(又称室温熔融盐)是完全由离子组成的在温室或低温下呈液态的盐，一般由有机阳离子和无机阴离子组成，作为溶剂使用时具有电导率高、蒸气压低、不燃不爆炸、电化学稳定性好等优点，用作可替代易燃、易挥发的有机溶剂的新型绿色溶剂引起了研究者的广泛兴趣。目前应用于锂离子电池的室温离子液体主要有咪唑类、季铵盐类、吡咯类、哌啶类等。咪唑类离子液体虽然液体粘度较低，电导率较高，但电化学窗口较窄、石墨负极的充放电效率较低，即使使用金属锂作为负极时稳定性仍较差。与咪唑阳离子离子液体电解液相比，季铵盐类的电化学窗口虽然大于5V，金属锂可以在其中稳定存在。但在首次充电过程中季铵阳离子会先于锂离子嵌入石墨层间，阻碍了锂离子嵌层反应的发生，使得其不能进行可逆嵌、脱锂反应。吡咯和哌啶阳离子类离子液体属于环状季铵型离子液体，其在结构和物化性能方面与链状季铵类离子液体相似，它们用作锂二次电池电解液时具有与链状季铵类离子液体电解液类似的性能。

专利号为200910066474.5的中国发明专利公开了“原位聚合制备离子液体型凝胶聚合物电解质及电池的方法”，该专利采用丙烯腈和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为单体，碳酸乙烯酯为有机增塑剂，偶氮二异丁腈为引发剂，高氯酸锂为锂盐，并加入离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为电解质的组分，采用自由基引发，原位聚合的方式制备离子液体基凝胶聚合物电解质，离子电导率最高仅仅为1.72×10^-4S·cm^-1。申请号为200910304356.3的中国发明专利申请公开了“锂离子电池凝胶型离子液体/聚合物电解质及其制备方法”，该发明的电解质由高分子聚合物、咪唑类离子液体和锂盐通过延流法制备得到，解决了咪唑类离子液体与锂离子电池负极材料相容性较差的问题，但离子电导率最高仅仅为0.53×10^-3S·cm^-1，而且不使用支撑体支撑，机械强度较差，不利于工业化生产。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种锂离子电池离子液体基凝胶聚合物电解质的制备方法。

本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法得到的离子电导率高、机械强度好、热稳定性好、化学稳定性好、且抗热收缩的锂离子电池离子液体基凝胶聚合物电解质。

本发明的再一目的在于提供所述的锂离子电池离子液体基凝胶聚合物电解质的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种锂离子电池离子液体基凝胶聚合物电解质，由聚合物隔膜、锂盐和离子液体组成，其制备方法包括下述步骤：

(1)在惰性气体气氛下，将聚合物和有机溶剂按质量比(0.5～10)∶(90～99.5)混合，接着加入相当于有机溶剂质量1～50％的去离子水作为非溶剂，同时添加相当于聚合物质量的50～200％的无机陶瓷材料，于30～50℃搅拌至聚合物完全溶解，得到凝胶液体；

(2)将未活化的支撑体浸泡于步骤(1)所得到的凝胶液体中，取出后自然晾干，即制备得到抗热收缩的掺杂无机陶瓷材料的锂离子电池聚合物隔膜；

(3)将锂盐溶解于离子液体中，加入成膜添加剂，得到能将聚合物隔膜凝胶化的离子液体基电解液；