非燃性凝胶电解质及其制备方法和应用以及钠离子电池技术

本发明专利技术涉及电池电解质领域，公开了一种非燃性凝胶电解质及其制备方法和应用以及钠离子电池，该电解质包括聚合物基体和电解液，以电解质的总量为基准，所述电解液的含量为60‑90重量％，所述聚合物基体的含量为10‑40重量％；所述聚合物基体包括聚合物膜，所述电解液包括复合溶剂和钠盐；所述复合溶剂包括有机溶剂和阻燃剂。由该非燃性凝胶电解质组装形成的钠离子电池在保证电池性能的同时，还能够极大改善电池的安全性能。

Non combustible gel electrolyte and its preparation method and application as well as sodium ion battery

【技术实现步骤摘要】
非燃性凝胶电解质及其制备方法和应用以及钠离子电池
本专利技术涉及电池电解质，具体涉及一种非燃性凝胶电解质及其制备方法和应用以及钠离子电池。
技术介绍
二次电池具有较好的充放电性能和较高的能量密度，可用于便携式移动设备中。二次电池主要包括正极、负极、隔膜和电解液，其中电解液是电池中离子传输的载体，为了提高离子传输速率，电解液通常采用金属盐和有机溶剂组成。但由于有机溶剂的闪电低挥发性强，容易引发燃烧或爆炸。近年来，聚合物凝胶电解质由于具有比液态电解质更好的电池性能和安全性而引起了广泛的关注。一方面，聚合物凝胶电解质由于聚合物基体与溶剂的相互作用，限制了溶剂分子在电池循环过程中在正负极之间的大规模移动；同时某些聚合物基体能很好地与电解质中的阴离子进行配位，限制了阴离子的迁移，从而使得聚合物凝胶电解质具有更高的阳离子离子迁移数，改善了电池的倍率和循环性能。另一方面，聚合物凝胶电解质中聚合物基体由于其所具有的机械强度而能够一定程度上缓冲正极材料在充放电过程中的体积变化以及负极枝晶的生长；此外，某些聚合物凝胶电解质能够在电池的正极和负极材料界面形成稳定的固体电解质界面(SEI)层，稳定正极材料的结构，抑制负极枝晶的生长，这些因素也使得电池的循环性能得到极大改善。此外，聚合物凝胶电解质也改善了液态电解质因电解液泄露而引起的安全问题。传统的聚合物凝胶电解质通常是由聚合物基体和商业的液态电解质构成，但因其可燃性而影响了其安全性能，另外，虽然采用聚合物凝胶电解质在一定程度上提高了电池的性能，但是电池的性能还有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的聚合物凝胶电解质安全性差，电池性能有待进一步提高的问题，提供一种非燃性凝胶电解质及其制备方法和应用以及钠离子电池，该非燃性凝胶电解质在保证电池性能的同时，还能够极大改善电池的安全性能。为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种非燃性凝胶电解质，其中，该电解质包括聚合物基体和电解液，以电解质的总量为基准，所述电解液的含量为60-90重量％，所述聚合物基体的含量为10-40重量％；所述聚合物基体包括聚合物膜，所述电解液包括复合溶剂和钠盐；所述复合溶剂包括有机溶剂和阻燃剂。本专利技术第二方面提供一种本专利技术所述非燃性凝胶电解质的制备方法，其中，该制备方法包括：将电解液和聚合物基体进行接触，所述接触的时间不小于5min。本专利技术第三方面提供一种钠离子电池，包括本专利技术所述的非燃性凝胶电解质、负极和正极。本专利技术第四方面提供本专利技术所述的非燃性凝胶电解质在聚合物电解质电池、柔性电池和全固态电池中的应用。本专利技术中，采用聚合物膜或者聚合物膜与固体氧化物的混合物作为聚合物基体，之后再在聚合物基体中引入含有有机溶剂、阻燃剂和钠盐的电解液形成呈凝胶状的电解质。采用该方法形成的非燃性凝胶电解质具有较好的阻燃性和热稳定性，并且将其用于电池中，还能使得电池具有较好的循环性能和倍率性能，提高电池的稳定性。附图说明图1是由实施例1制得的S1组装形成的钠离子电池在0.5C和1C下的充放电循环图；图2是由实施例1制得的S1组装形成的钠离子电池在5C下的充放电循环图；图3是由实施例1制得的S1组装形成的钠离子电池的倍率曲线；图4是由实施例1制得的S1组装形成的钠离子电池在充放电过程中电池的电压随时间的变化曲线图；图5是由对比例2制得的D2组装形成的钠离子电池在0.5C下的充放电循环图；图6是由对比例3制得的D3组装形成的钠离子电池在0.5C下的充放电循环图。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术第一方面提供一种非燃性凝胶电解质，其中，该电解质包括聚合物基体和电解液，以电解质的总量为基准，所述电解液的含量为60-90重量％，优选为68-76重量％，所述聚合物基体的含量为10-40重量％，优选为24-32重量％；所述聚合物基体包括聚合物膜，所述电解液包括复合溶剂和钠盐；所述复合溶剂包括有机溶剂和阻燃剂。本专利技术中，在聚合物基体中引入电解液，电解液和聚合物基体相互作用，形成凝胶电解质。形成的凝胶电解质既可以兼顾电池的安全性能，还可以提高电池的循环性能和倍率性能。优选地，所述聚合物基体还包括固体氧化物，聚合物基体中聚合物膜的含量为50-70重量％，更优选为55-65重量％；固体氧化物的含量为30-50重量％，优选为35-45重量％。本专利技术中，对所述复合物基体中的聚合物膜和固体氧化物的存在形式没有特别的限定，优选地，固体氧化物填充在聚合物膜的孔隙中。聚合物膜和固体氧化物按照上述比例复合形成的聚合物基体结构稳定，该聚合物基体与电解液结合形成的非燃性凝胶电解质用于钠离子电池时，能够进一步提高电池的循环稳定性和安全性能。为进一步提高电池的稳定性，且在电解质和电极之间形成稳定的SEI膜，所述固体氧化物可以为现有技术中能够与聚合物膜浸润，且能够形成稳定凝胶的固体氧化物。优选地，所述固体氧化物选自SiO2、TiO2和Al2O3中的至少一种，进一步优选为SiO2。本专利技术中，用于形成聚合物基体的聚合物膜能够与电解液充分接触浸润、且能够与电解液形成结构稳定的凝胶电解质的聚合物。优选地，所述聚合物膜由选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和聚丙烯酰胺中的至少一种制得；进一步优选地，由聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物制得。本专利技术中的聚合物膜最优选为由电纺的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(即电纺的PVDF-HFP薄膜)制得，该电纺的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的制备方法具体包括：0.1-0.2g/mL的PVDF-HFP(聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯))加入体积比为1：(2.5-5)的N,N-二甲基乙酰胺和丙酮形成的混合液中，搅拌均匀后，在0.3-0.8mL/h的电纺速度下进行电纺1-2h形成。为了进一步提高电池的电解液的稳定性以及电解液和聚合物基体的浸润性能，优选地，所述有机溶剂选自碳酸酯、醇醚和烷基醚中的至少一种。其中，所述碳酸酯优选为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯中的至少一种；所述醇醚优选为乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚和二甘醇二甲醚中的至少一种；所述烷基醚选为四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧环戊烷、二甲氧甲烷和1,2-二甲氧乙烷中的至少一种。本专利技术中，所述阻燃剂优选为不燃性的磷酸酯和/或不燃性的氟代烷基醚。其中，所述磷酸酯优选为磷酸三甲酯、磷酸三苯酯、磷酸三乙酯、甲基磷酸二甲酯、双(2,2,2-三氟乙基)甲基磷酸酯中的至少一种，进一步优选为甲基磷酸二甲酯；所述氟代烷基醚中的氟取代的个数可以是1-6中任意一个整数，烷基优选为C1-C8中的任意一个烷基，进一步优选为六氟异丙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非燃性凝胶电解质，其中，该电解质包括聚合物基体和电解液，以电解质的总量为基准，所述电解液的含量为60-90重量％，所述聚合物基体的含量为10-40重量％；所述聚合物基体包括聚合物膜，所述电解液包括复合溶剂和钠盐；所述复合溶剂包括有机溶剂和阻燃剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种非燃性凝胶电解质，其中，该电解质包括聚合物基体和电解液，以电解质的总量为基准，所述电解液的含量为60-90重量％，所述聚合物基体的含量为10-40重量％；所述聚合物基体包括聚合物膜，所述电解液包括复合溶剂和钠盐；所述复合溶剂包括有机溶剂和阻燃剂。


2.根据权利要求1所述的非燃性凝胶电解质，其中，所述电解液的含量为68-76重量％，所述聚合物基体的含量为24-32重量％；
优选地，所述聚合物基体还包括固体氧化物，聚合物基体中聚合物膜的含量为50-70重量％，优选为55-65重量％；固体氧化物的含量为30-50重量％，优选为35-45重量％；
优选地，所述固体氧化物选自SiO2、TiO2和Al2O3中的至少一种；
优选地，所述聚合物膜由选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和聚丙烯酰胺中的至少一种制得。


3.根据权利要求1或2所述的非燃性凝胶电解质，其中，所述有机溶剂选自碳酸酯、醇醚和烷基醚中的至少一种；和/或
所述阻燃剂为不燃性的磷酸酯和/或不燃性的氟代烷基醚。


4.根据权利要求1-3中任意一项所述的非燃性凝胶电解质，其中，所述复合溶剂还包括稳定剂，所述稳定剂为氟代碳酸酯；
优选地，以电解液的总量为基准，电解液中阻燃剂的含量为20-60体积％，有机溶剂和稳定剂的体积比为1：(0.1-5)。


5.根据权利要求1-4中任意一项所述的非燃性凝胶电解质，其中，所述电解液中钠盐的浓度为0.3-2.5mol/L；
优选地，所述钠盐选自六氟...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙春文，易强，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11