[发明专利]一种两性离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池材料领域，公开了一种两性离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用。该两性离子液体凝胶电解质，包括以下组分：聚合物、锂盐、无机纳米粒子、两性离子液体；两性离子液体的结构如式(1)或式(2)所示：其中，式(1)或式(2)中的R₁为含醚键的基团；n为2至10之间的任意整数；m为1至5之间的任意整数。该两性离子液体凝胶电解质机械强度高，可提高电池的安全性，该两性离子液体凝胶电解质电导率高，锂离子迁移数高。该两性离子液体凝胶电解质的制备方法简单，有利于准固态电池的产业化。

技术领域

本发明属于电池材料领域，特别涉及一种两性离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用。

背景技术

随着各种电子产品和电动汽车的电池发展，储能电池的重要性也愈发凸显，并且已成为各个国家和各级政府重点发展产业。当前，储能电池有两个主要发展趋势，分别是更高的能量密度与续航，以及更高的安全性和可靠性。为提电池的高能量密度和续航，各种新技术不断涌现，包括全固态电池和锂硫电池等，但这些新技术离真正的产业化还有相当的距离。以全固态电池为例，由于难以克服的界面问题，其真正的产业化可能在2030年以后。

随着电池引起的安全问题不断被报道，电池的安全性也越来越受到人们的关注。为了安全，企业也不断采用折中方案。例如，有些电动汽车厂商为了提高电池的安全性，不得不舍弃能量密度更高、但安全性差的三元锂电池，纷纷采用能量密度更低、但却更安全的磷酸铁锂电池。电池之所会燃烧爆炸，重要原因之一在于它使用的有机电解液是易燃易爆易挥发的。所以要提高电池的安全性，寻找更安全的电解液替代当前的有机电解液是有效途径之一。

用聚合物凝胶电解质替代电解液被认为是解决上述问题的有效方案，可以降低液体电解液的漏液风险，简化电池内部结构，提高能量密度。聚合物凝胶电解质主要由聚合物、塑化剂和锂盐几部分组成。传统聚合物凝胶电解质中的塑化剂主要是碳酸酯类溶剂，例如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)等。这些有机溶剂的存在使得电池，尤其是在高温条件下仍然有较高的风险。

因此，提供一种新的、不含易燃易挥发物质、且具有高电导率和高机械强度的凝胶电解质，降低准固态电解质与其他电池材料的界面电阻，提高电池的能量密度、充放电效率和安全性，是十分有必要的。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种两性离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用，所述两性离子液体凝胶电解质机械强度高，可提高电池的安全性，电导率高，有利于降低电池中的界面电阻，以及提高电池的充放电效率，进一步提高电池的能量密度。

本发明的发明构思：不同于传统的分子溶剂或者分子电解液，离子液体(IonicLiquids)是一类完全由离子构成的，特殊的室温有机熔融盐。因为完全由离子构成，所以离子液体的挥发性极低，也不可燃烧。因此，如果用离子液体代替传统的有机分子溶剂，可以从根本上提高电池的安全性。两性离子液体(Zwitterionic Ionic Liquids，ZIL)指阴阳离子中心通过共价键连接，分子整体呈中性的一类离子液体化合物。由于整体呈中性，两性离子液体不会在电场中发生电迁移，作为塑化剂，能提高锂离子迁移数。此外，两性离子液体与锂盐混合后，能促进锂离子的解离，提到锂离子的摩尔电导率。无机纳米粒子的加入不仅能降低聚合物的玻璃转化温度和结晶性，还能通过增加纳米颗粒表面的无序度提高电解质的电导率。本发明以两性离子液体代替传统的有机塑化剂，通过与聚合物、锂盐和无机纳米粒子组合，构建高性能的离子液体凝胶电解质。该离子液体凝胶既是电解质，用于准固态电池开发，可提高界面浸润性，降低界面电阻，提高充放电效率；又是隔膜，可以简化电池内部结构，提高能量密度。

本发明的第一方面提供一种两性离子液体凝胶电解质。

具体的，所述两性离子液体凝胶电解质，包括以下组分：聚合物、锂盐、无机纳米粒子、两性离子液体。

优选的，所述两性离子液体的结构如式(1)或式(2)所示：