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技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于锂电池领域，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。
技术介绍
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。CN102522515A、CN103579562A、CN102516585A等专利技术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。CN103999260A、CN105144428A专利技术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。CN104393339A专利技术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，上述专利技术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(LiM,WangX,WangY,etal.Agelpolymerelectrolytebasedoncompositeofnonwovenfabricandmethylcellulosewithgoodperformanceforlithiumionbatteries[J].RSCAdvances,2015,5(65):52382-52387)和文献2(LiMX,WangXW,YangYQ,etal.Adensecellulose-basedmembraneasarenewablehostforgelpolymerelectrolyteoflithiumionbatteries[J].JournalofMembraneScience,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术创造性的将近年来用于纤维素材料加工的“溶解-再生”法用于凝胶聚合物电解质的基体材料的制备。具体地，在本专利技术中，以纤维素为原料，通过选择合适的溶解、再生及干燥条件，可制备出具有均匀纳米孔结构且高孔隙率的纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜，其对有机电解液具有很强的亲和性，在有机电解液中浸泡后得到的纤维素基凝胶聚合物电解质，适用于制备高性能的锂离子电池。所述“溶解-再生”法中将绿色溶剂体系用于直接溶解纤维素，适合于大规模工业化生产。为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：1.一种纤维素基凝胶聚合物电解质，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；所述具有纳米孔结构的纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜，采用“溶解-再生”方法为主要工艺制备。具体的，所述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜，采用包括以下步骤的方法制备：(1)以纤维素为原料，采用“溶解-再生”方法先制备得到再生纤维素凝胶膜或再生纤维素复合凝胶膜；(2)所述凝胶膜利用冷冻干燥、超临界干燥或直接干燥的方法得到纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜。2.上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜，所用的纤维素原料为以下纤维素中的一种或几种：微晶纤维素、棉浆粕、木浆粕、竹浆粕、脱脂棉、木材或农作物中提取出来的纤维素；所述纤维素的聚合度在200-5000。3.上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜的厚度为20-200μm，平均孔径小于50nm，孔隙率为30-98％。上述多孔膜的孔结构可以利用所述“溶解-再生”方法中的溶解、再生及干燥条件进行调控。上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜的拉伸强度为3-80MPa，且上述多孔膜具有良好的尺寸热稳定性，可有效的提高电池的安全性能。4.上述纤维素基凝胶聚合物电解质是将上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜浸泡在有机电解液中吸收有机电解液，凝胶化得到纤维素基凝胶聚合物电解质，吸液率为100-1000％。5.一种纤维素基凝胶聚合物电解质的制备方法，其包括以下步骤：(1)以纤维素为原料，采用“溶解-再生”方法先制备得到再生纤维素凝胶膜或再生纤维素复合凝胶膜；(2)所述凝胶膜利用冷冻干燥、超临界干燥或直接干燥的方法得到纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜；(3)将上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜浸泡在有机电解液中吸收有机电解液，凝胶化得到纤维素基凝胶聚合物电解质。6.上述制备方法中，步骤(1)具体地包括以下步骤：(1a)纤维素与液体A混合，得到透明均匀的纤维素溶液；(1b)步骤(1a)的纤维素溶液制成溶液膜，经液体B凝胶化，得到再生纤维素液体B凝胶膜；或者，步骤(1a)的纤维素溶液经液体B凝胶化，得到再生纤维素液体B凝胶膜；(1c)步骤(1b)的再生纤维素液体B凝胶膜经液体C置换后，得到再生纤维素液体C凝胶膜，可简称为再生纤维素凝胶膜。7.上述制备方法中，步骤(1)也可具体地包括以下步骤：(1a’)纤维素、复合组分与液体A混合，得到透明均匀的纤维素/复合组分/液体A溶液；(1b’)步骤(1a’)中所得溶液制成溶液膜，经液体B凝胶化，得到再生纤维素/复合组分/液体B凝胶膜；或者，步骤(1a’)中所得溶液经液体B凝胶化，得到再生纤维素/复合组分/液体B凝胶膜；(1c’)步骤(1b’)的再生纤维素/复合组分/液体B凝胶膜经液体C置换后，得到再生纤维素/复合组分/液体C凝胶膜，可简称为再生纤维素复合凝胶膜。8.上述纤维素基凝胶聚合物电解质是采用上述第5-7点中任一种的纤维素基凝胶聚合物电解质的制备方法制备得到。9.一种锂离子电池，其电解质为上述的纤维素基凝胶聚合物电解质。本专利技术的有益效果：本专利技术提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维素基凝胶聚合物电解质，其特征在于，所述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；所述具有纳米孔结构的纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜，采用“溶解‑再生”方法为主要工艺制备。

【技术特征摘要】
1.一种纤维素基凝胶聚合物电解质，其特征在于，所述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；所述具有纳米孔结构的纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜，采用“溶解-再生”方法为主要工艺制备。2.根据权利要求1所述的纤维素基凝胶聚合物电解质，其特征在于，所述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜采用包括以下步骤的方法制备：(1)以纤维素为原料，采用“溶解-再生”方法先制备得到再生纤维素凝胶膜或再生纤维素复合凝胶膜；(2)所述凝胶膜再利用冷冻干燥、超临界干燥或直接干燥的方法得到纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜。3.根据权利要求1或2所述的纤维素基凝胶聚合物电解质，其特征在于，上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜，所用的纤维素原料为以下纤维素中的一种或几种：微晶纤维素、棉浆粕、木浆粕、竹浆粕、脱脂棉、木材或农作物中提取出来的纤维素；所述纤维素的聚合度在200-5000。4.根据权利要求1-3任一项所述的纤维素基凝胶聚合物电解质，其特征在于，上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜的厚度为20-200μm，平均孔径小于50nm，孔隙率为30-98％。优选地，上述多孔膜的孔结构可以利用所述“溶解-再生”方法中的溶解、再生及干燥条件进行调控。优选地，上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜的拉伸强度为3-80MPa，且上述多孔膜具有良好的尺寸热稳定性，可有效的提高电池的安全性能。5.根据权利要求1-4任一项所述的纤维素基凝胶聚合物电解质，其特征在于，上述纤维素基凝胶聚合物电解质是将上述纤维素多孔膜或纤维素复合多孔膜浸泡在有机电解液中吸收有机电解液，凝胶化得到纤维素基凝胶聚合物电解质，吸液率为100-1000％。6.权利要求1-5任一项所述的纤维素基凝胶聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，万纪强，余坚，张金明，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11