[发明专利]一种高性能凝胶聚合物电解质的制备方法、锂离子电池

说明书

本发明涉及一种高性能凝胶聚合物电解质的制备方法、锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。本发明中的凝胶聚合物电解质的制备方法包括：以五水硝酸铋和九水硫化钠为原料，通过水热法制备Bi₂S₃纳米棒；对黑磷晶体进行剥离，制备BP纳米片；将醋酸纤维素、聚乳酸混合物溶解在有机溶剂中，并搅拌均匀。然后，将BP纳米片和Bi₂S₃纳米棒加入到上述纺丝溶液中，通过静电纺丝法，制备PCA/Bi₂S₃‑BP膜；将PCA/Bi₂S₃‑BP膜浸泡在电解液中进行凝胶化，制备出一种高性能的凝胶聚合物电解质。该电解质具有良好的电导率、阻燃性能和抑制锂枝晶生长的优点，可以显著提升锂离子电池的安全性能和电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高性能凝胶聚合物电解质的制备方法、锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、安全不漏液、低污染且符合环保要求等优点，引起了科研人员极大的兴趣和普遍的关注。但是，传统的锂离子电池通常采用有机液态电解液，而有机溶剂存在着易燃等一系列缺点。此外，锂离子的不均匀沉积容易产生锂枝晶，在长期充/放电循环过程中可能会刺穿隔膜，最终导致电池内部短路。

为了解决这些问题，研究者提出了固态聚合物电解质，如聚环氧乙烷基聚合物电解质和聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)基聚合物电解质等，以取代传统的液体电解液。然而，这些固态聚合物电解质存在着室温电导率低、电极/电解质界面阻抗大等缺点，严重限制了固态聚合物电解质的实际应用。

与固态聚合物电解质相比，凝胶聚合物电解质(GPE)在室温下具有更好的电极/电解质界面稳定性、更高的离子电导率和更低的界面阻抗，因此被认为是一种非常有前途的候选电解质。GPE是由聚合物基体、增塑剂和电解质盐经一定的方法形成的具备一定微结构的聚合物电解质体系，将液体电解液束缚在聚合物网络结构中，从而实现锂离子的传输。但是，聚合物基体在增塑剂中进行溶胀时，会降低GPE的机械强度，进行影响其对锂枝晶的抑制作用。徐等人采用冷冻干燥法，制备了一种物理交联的细菌纤维素基GPE，其拉伸强度为49.9MPa，断裂伸长率为56.33％，离子电导率达到4.04×10^-3S/cm，锂离子迁移数为0.514。然而，锂枝晶的生长应力和剪切模量高达130MPa和6GPa，远远超过现有GPE所能承受的范围。

随着陶瓷填料，如氧化锆、氧化铝、二氧化钛的引入，其可以明显改善GPE的力学性能和电化学性能。陶瓷填料与电解质阴离子之间的路易斯酸碱相互作用有利于促进锂盐的解离，提高锂离子迁移速率。但是，机械地将陶瓷填料与聚合物基体复合在一起，难以解决陶瓷填料易于团聚等问题。此外，GPE中仍包含有一定量的易燃液体电解质，存在着潜在的安全隐患。因此，设计并制备一种高离子电导率、阻燃和可抑制锂枝晶生长的GPE仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能凝胶聚合物电解质(PCA/Bi₂S₃-BP电解质)的制备方法，通过该方法制备的PCA/Bi₂S₃-BP电解质同时具有离子电导率高、阻燃和可抑制锂枝晶生长的优点，以解决现有方法制备的凝胶聚合物电解质存在着的易燃、不能抑制锂枝晶生长等问题。

本发明的另一个目的在于提供一种采用上述PCA/Bi₂S₃-BP电解质的锂离子电池。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种高性能凝胶聚合物电解质，所述高性能凝胶聚合物电解质为PCA/Bi₂S₃-BP电解质，通过BP纳米片和Bi₂S₃纳米棒制备PCA/Bi₂S₃-BP膜，并在电解液中进行凝胶化制备而成。