[发明专利]一种锂离子电池用固体聚合物电解质的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体为锂离子电池用固体聚合物电解质的制备。

背景技术

锂离子电池因能量密度高、比容量大、质量轻等优点广泛用于便携式电子设备如数码相机、移动电话、笔记本电脑等。通常所用的锂离子电池多采用电解液，采用有机电解液的锂离子电池逐渐暴露出它的缺点：由于电解液易挥发泄漏，电池需要特殊的密封装置和安全阀，并且不适合在50℃以上环境里工作；由于电解液易燃易爆，电池不能遭受破坏性操作，如遇火和猛烈撞击，电池就变成了危险的燃烧弹。因此，人们一直想开发固体聚合物电解质代替有机液体电解质。Masuda.Y等用聚乙二醇和铝酸盐反应生成聚乙二醇-铝酸酯,与双三氟甲烷磺酰亚胺锂组成固体电解质30℃时电导率达到10^-4S/cm数量级，且该电解质的电化学稳定窗口有4.5V，能基本满足电池的应用要求。(MasudaY,SekiM,NakayamaM,etal.StudyonionicconductivityofPolymerelectrolyteplasticizedwithPEG-aluminateesterforreehargeablelithiumionbattery[J].SolidStateIonics,2006,177(9-10):843-846)。Lee等利用SiO₂与α-甲基苯乙烯复合也取得较好的效果。（K.H.Lee,Y.G.Lee,J.K.Park,etal.EffectofsilicaontheelectrchemicalcharacteristicsoftheplasticizedpolymerelectrolytesbasedontheP(AN-co-MMA)copolymer[J].SolidStateIonics,2000,133:257-263）。无机材料的加入也有助于提高电解质的低温电导率，一般认为无机纳米材料可以阻碍聚合物的结晶化，扩大聚合物的非结晶区，有利于提高离子的运动能力。另外在无机粒子和有机物间存在着界面效应，这种作用可能对锂离子的传输有着积极的影响。从安全角度来说，聚合物电池不容易燃烧爆炸；从技术角度来说，聚合物电解质可以和金属锂电极配合，实现能量密度的最大化；从工艺上来说，聚合物电解质本身可以替代昂贵的电池隔膜，而且不需要严格的密封，制造成本大大降低。

发明内容

本发明所要解决的主要问题是用固体聚合物电解质代替传统的锂离子电池电解液，解决电解液易挥发、易泄露和易燃烧而导致的电池爆炸的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种锂离子电池用固体聚合物电解质制备方法，包括步骤：

（1）将氨水和正硅酸乙酯以1～3:1的比例加入到醇类溶剂中，室温下机械搅拌10～13小时，然后离心、洗涤、干燥，制得二氧化硅纳米粒子；

（2）将步骤（1）所制得二氧化硅纳米粒子、氨水和乙烯基硅烷偶联剂按质量1:1.5～2:1.5～2的比例加入到乙醇和水的混合物中，在70～80℃搅拌48小时，离心、洗涤、干燥，制得乙烯基化的二氧化硅纳米粒子；

（3）将氢氧化锂和丙烯酸以物质的量比1:1～2溶于甲醇溶剂中，25℃搅拌2～4小时，然后将反应液倒入丙酮溶剂中，甲醇与丙酮的比例为1:6～8，然后抽滤，冷冻干燥48小时，制得丙烯酸锂；

（4）将步骤（3）所制得丙烯酸锂和步骤（3）制得乙烯基化的二氧化硅纳米粒子按质量比1～3:1溶于N，N-二甲基甲酰胺中，加入引发剂，65～80℃反应5～8小时，然后倒入去离子水中，离心、洗涤、干燥，制得二氧化硅纳米粒子接枝的丙烯酸锂；

（5）将甲基丙烯酸甲酯和聚乙二醇甲基丙烯酸酯以质量比1:1～3的比例溶于二甲基乙酰胺溶剂中，加入引发剂，60～75℃反应10～15小时，继续搅拌直至溶液形成均一的粘稠液；

（6）将步骤（4）所制得二氧化硅纳米粒子接枝的丙烯酸锂加入步骤（5）的粘稠液中，继续搅拌8～10小时后，将混合液倒入聚四氟乙烯模具中，在通风橱中干燥12小时，再放入真空干燥箱中干燥24小时。

上述步骤（1）中的醇类为甲醇、乙醇或丁醇，醇类溶剂用量为正硅酸乙酯质量的30～35倍。

上述步骤（2）中的乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷或γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷的一种。

上述步骤（4）中的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰的一种。

上述步骤（6）中二氧化硅纳米粒子接枝的丙烯酸锂占共聚物质量的30～50%。