[发明专利]一种纤维素基凝胶聚合物电解质及其制备方法和含该电解质的锂离子电池

说明书

本发明公开了一种纤维素基凝胶聚合物电解质及其制备方法和含有该电解质的锂离子电池，该凝胶聚合物电解质由具有纳米孔结构的纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜吸收有机电解液凝胶化而得。所述的纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜通过“溶解‑再生”方法得到，厚度20‑200μm，平均孔径小于50nm，孔隙率30‑98％，拉伸强度3‑80MPa，尺寸热稳定性良好；其吸收有机电解液凝胶化得到的纤维素基凝胶聚合物电解质具有离子电导率高、电化学稳定窗口宽等优点，适用于高性能、高安全性的锂离子电池。

技术领域

本发明属于锂电池领域，具体涉及到一种锂离子电池用纤维素基凝胶聚合物电解质及其制备方法和使用该电解质的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、环境友好等优点，近年来广泛地应用于手机、笔记本电池等便携式电子设备，在电动工具、混合动力电动汽车、纯电动汽车以及小型储能电站等领域，大容量的锂离子电池也将发挥非常重要的作用。然而，锂离子电池由于使用液态的有机电解液(易挥发、易燃)，当发生液态电解液泄漏或者遭遇撞击等意外时，很容易发生起火、爆炸等安全事故，因此锂离子电池的安全问题引起了广泛的关注。

为了解决锂离子电池的安全性问题，使用固态聚合物电解质或凝胶聚合物电解质替代液态有机电解液以消除液态电解液泄露带来的潜在危险逐渐成为研究热点。固态聚合物电解质由于室温条件下离子电导率过低，难以满足实际使用的要求。凝胶聚合物电解质是通过聚合物基体吸收有机电解液凝胶化而得，同时具有液态电解质离子电导率高和固态电解质安全性好的优点，并且电化学窗口宽、热稳定性好、与电极材料相容性好。此外，聚合物材料可塑性强，因此使用凝胶聚合物电解质的锂离子电池具有可薄型化、可任意形状化、可任意面积化的特点，从而可以提高电池的比容量。以聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯等聚合物作为凝胶聚合物电解质的基体，人们对凝胶聚合物电解质进行了大量的研究。然而目前所报道的凝胶聚合物电解质存在价格昂贵、制备繁琐、力学性能较差等问题，限制了它们的实际应用。

纤维素是自然界中储量最丰富的天然高分子材料，具有来源丰富、可再生、可生物降解等优点。纤维素分子链中含有丰富的羟基，可以形成分子内和分子间的氢键，使得纤维素材料具有很好的热稳定性与化学稳定性。CN 102522515A、CN 103579562A、CN102516585A等发明专利将纤维素纤维与其他聚合物纤维或者无机纳米颗粒通过湿法抄纸的工艺制备具有耐热、阻燃功能的锂离子电池隔膜。CN 103999260A、CN 105144428A发明专利使用纤维素纳米纤维、二氧化硅制备具有纳米孔结构的锂离子电池隔膜。CN 104393339A发明专利将植物纤维素纤维利用打浆抽滤的方法得到多孔膜，表面覆盖聚合物后吸收有机电解液成为凝胶聚合物电解质。然而，上述发明专利往往需要对纤维素进行打浆帚化处理，耗能大、效率低，且膜结构的均匀性很难控制。文献1(Li M,Wang X,Wang Y,et al.A gelpolymer electrolyte based on composite of nonwoven fabric and methylcellulose with good performance for lithium ion batteries[J].RSC Advances,2015,5(65):52382-52387)和文献2(Li M X,Wang X W,Yang Y Q,et al.A densecellulose-based membrane as a renewable host for gel polymer electrolyte oflithium ion batteries[J].Journal of Membrane Science,2015,476:112-118)中报道利用纤维素的衍生物制备了多种凝胶聚合物电解质基体，表现出热稳定性良好、与电极材料相容性好的的特点，但由于孔隙率低，吸液能力有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于锂离子电池的纤维素基凝胶聚合物电解质及其制备方法和含有该电解质的锂离子电池。