一种固态聚合物离子凝胶电解质膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种固态聚合物离子凝胶电解质膜及其制备方法与应用。本发明专利技术所述复合电解质由锂盐、离子液体、聚合物和氮化硼无机颗粒组成组成。其通过将氮化硼颗粒填充于聚偏氟乙烯‑六氟丙烯骨架中，并复合离子液体电解质，使离子液体电解质均匀附着在所述固体骨架中，形成网络交联结构。通过调节聚偏氟乙烯‑六氟丙烯与离子液体电解质的比例、以及氮化硼的添加比例，从而优化电解质，从而得到所述固态聚合物离子凝胶电解质膜。所述电解质膜具有良好的热稳定性，高的离子电导率，以及优异的电化学性能，旨在提高电池的工作温度，开发高温工作的电化学储能器件。该方法简单操作，原料易得、安全无污染，使用常规设备，适合大规模生产。

Solid polymer ionic gel electrolyte membrane and preparation method and application thereof

【技术实现步骤摘要】
一种固态聚合物离子凝胶电解质膜及其制备方法与应用
本专利技术属于材料领域，具体涉及一种锂电池电解质材料，更具体涉及一种固态聚合物离子凝胶电解质膜及其制备方法与应用。
技术介绍
近年来，锂离子电池已经广泛应用于我们生活的各个方面，大到电动汽车，小到电子手表，未来还将会渗透到社会生产生活的方方面面，以及国家航空航天、军事等领域，这就对锂离子电池的能量密度和功率密度提出了更高的要求。然而由于锂离子电池常用的有机碳酸酯类电解液存在易挥发、易燃烧等缺点，温度升高时易蒸汽化导致电池内压增大，最终损坏电极和外壳。在高温条件下，由于电解质和隔膜的失效，锂离子电池会出现严重的安全问题，例如电池的起火爆炸。而在高倍率条件下进行充放电可能会导致电池热失控，造成电池温度升高，进而引发电解质泄露和失效。由此可见，电解质对电池的高温性能以及安全性能起着非常重要的作用。因此寻找一种能够取代有机电解液的高安全性能的电解质是当前发展高比能锂离子电池的一个难题。与液态电解质体系相比，固态电解质体系得出现和开发为锂电池产业的研究和发展开辟了新的方向，大大提高了锂电池的安全性能。聚合物凝胶电解质将液态电解质填充到聚合物或聚合物与无机骨架的网络结构中，是解决锂离子电池安全问题的方法之一。聚合物凝胶电解质合成方法简单，不仅结合了固态和液态的优势，而且可以同时作为电解质和隔膜使用。此外，聚合物凝胶电解质由于具有灵活性和弹性可以缓解电极材料的体积变化和充放电过程中产生的锂枝晶。离子液体通常作为一种高离子电导性和高热稳定性的电解质，能够承受400℃的高温，将合成的离子液体电解质应用到聚合物凝胶电解质中，我们称之为“聚合物离子凝胶电解质”。相比含有机碳酸酯类的聚合物凝胶电解质，聚合物离子凝胶电解质具有更高的安全性能。近年来的研究发现，通过填充无机填料例如SiO2、Al2O3和TiO2等，可以进一步提高电解质的安全性能和机械模量。然而大部分填充物容易聚合，当填充量超过一定量时，聚合的填充物会使修饰的离子导电通道恶化，从而降低离子电导率。因此开发一种同时具备高安全性能和良好电化学性能的聚合物离子凝胶电解质是当前的研究热点。
技术实现思路
本专利技术要求保护氮化硼颗粒在制备聚合物离子凝胶电解质膜或固态聚合物离子凝胶电解质膜或在制备锂电池或锂对称电池中的应用。本专利技术还要求保护含有氮化硼颗粒的聚合物离子凝胶电解质膜或固态聚合物离子凝胶电解质膜或锂电池或锂对称电池。本专利技术还要求保护一种固态聚合物离子凝胶电解质膜，其由锂盐、离子液体、聚合物和氮化硼颗粒组成；所述聚合物和所述氮化硼颗粒作为所述固态聚合物离子凝胶电解质膜的固体骨架；所述锂盐和离子液体混合形成的离子液体电解质均匀附着在所述固体骨架中，形成互相交联的网络结构。具体的，所述氮化硼颗粒的粒径为微米级和纳米级中至少一种；所述微米级无机颗粒的粒径具体为1-2μm；纳米级无机颗粒的粒径具体为<150nm。所述锂盐选自双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、全氟乙烷磺酰亚胺锂和全氟甲烷磺酰甲基锂中至少一种。所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氟甲磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基吡咯双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丁基吡咯双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基吡咯双氟甲磺酰亚胺盐和N-甲基,丁基吡咯双氟甲磺酰亚胺盐中至少一种；所述聚合物选自聚环氧乙烯、聚环氧丙烷、聚环氧丁烷、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酰胺、聚丁二酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯腈和聚丙烯亚胺中至少一种；所述聚合物的重均分子量为100000-500000；具体为400000；数均分子量为50000-200000；具体为130000。所述锂盐在所述离子液体电解质中的浓度为0.2mol·L-1～2mol·L-1；具体为1mol·L-1；所述离子液体电解质和所述聚合物的质量比为1：0.5-5；具体为1:1；所述氮化硼颗粒与所述聚合物的质量比为1：0.2-2；具体为1:1。本专利技术提供的制备所述固态聚合物离子凝胶电解质膜，包括：1)将所述聚合物溶于有机溶剂中，得到溶液A；2)在近无水无氧条件下，将所述锂盐溶于所述离子液体中，得到所述离子液体电解质；3)将步骤2)所得离子液体电解质加入到所述步骤1)所得溶液A中，再加入所述无机颗粒，搅拌至匀，固化成型，干燥，得到所述固态聚合物离子凝胶电解质膜。上述方法的步骤1)中，所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中至少一种；所述溶液A中，所述聚合物与所述有机溶剂的质量比为1：5-30g；具体为0.5:10；所述步骤2)中，所述近无水无氧条件的要求为充满保护气体且水分含量小于0.1ppm；所述保护气体具体为惰性气体或氮气；所述干燥步骤中，时间为20-30h；具体为24h。另外，上述本专利技术提供的固态聚合物离子凝胶电解质膜在制备锂电池或锂对称电池中的应用及以所述固态聚合物离子凝胶电解质膜作为电解质的锂电池或锂对称电池，也属于本专利技术的保护范围。具体的，所述锂电池的电极活性材料为LiFePO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiCoO2或Li4Ti5O12。有益效果：1.本专利技术提供了一种固态聚合物离子凝胶电解质膜，所述电解质膜的组成材料的耐高温性能良好，热分解温度约为320℃，可以使锂电池具备良好的高温性能且能在较宽温度范围内正常工作，避免由于尺寸收缩造成的电池短路；2.本专利技术提供了一种固态聚合物离子凝胶电解质膜及其应用，所述电解质膜的机械强度较高，易于加工成型；且其电化学性能优异，氧化电位达到4.75V(vsLi/Li+)，因而适用于高电压、高容量的锂电池中；3.本专利技术提供了一种固态聚合物离子凝胶电解质膜的制备方法，所述方法简单，易于操作，原材料易得，且安全无污染，所使用的都是常规设备，适合大规模批量生产。附图说明图1为实施例1、2、3、4中制备的固态聚合物离子凝胶电解质膜的X射线衍射测试图。图2为实施例1、2、3、4中制备的固态聚合物离子凝胶电解质膜的不同温度下的离子电导率曲线图，图中P-BN-ILE0.5、P-BN-ILE0.4、P-BN-ILE0.3、P-BN-ILE0.2分别对应加入BN的质量，分别为0.5g、0.4g、0.3g、0.2g。图3为实施例1、2、3中制备的固态聚合物离子凝胶电解质膜在不同温度下的热稳定测试图，图中1、2、3、4分别对应商业Celgard隔膜、P-BN-ILE0.3、P-BN-ILE0.4、P-BN-ILE0.5。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.氮化硼颗粒在制备聚合物离子凝胶电解质膜或固态聚合物离子凝胶电解质膜或在制备锂电池或锂对称电池中的应用。/n

【技术特征摘要】
1.氮化硼颗粒在制备聚合物离子凝胶电解质膜或固态聚合物离子凝胶电解质膜或在制备锂电池或锂对称电池中的应用。


2.含有氮化硼颗粒的聚合物离子凝胶电解质膜或固态聚合物离子凝胶电解质膜或锂电池或锂对称电池。


3.一种固态聚合物离子凝胶电解质膜，由锂盐、离子液体、聚合物和氮化硼颗粒组成；
所述聚合物和所述氮化硼颗粒作为所述固态聚合物离子凝胶电解质膜的固体骨架；
所述锂盐和离子液体混合形成的离子液体电解质均匀附着在所述固体骨架中，形成互相交联的网络结构。


4.根据权利要求1所述的应用或权利要求2或3所述的电解质膜或电池，其特征在于：所述氮化硼颗粒的粒径为微米级和纳米级中至少一种；
所述微米级无机颗粒的粒径具体为1-2μm；
纳米级无机颗粒的粒径具体为<150nm。


5.根据权利要求3或4所述的固态聚合物离子凝胶电解质膜，其特征在于：所述锂盐选自双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、全氟乙烷磺酰亚胺锂和全氟甲烷磺酰甲基锂中至少一种。


6.根据权利要求3-5任一所述的固态聚合物离子凝胶电解质膜，其特征在于：所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氟甲磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基吡咯双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丁基吡咯双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基吡咯双氟甲磺酰亚胺盐和N-甲基,丁基吡咯双氟甲磺酰亚胺盐中至少一种；
所述聚合物选自聚环氧乙烯、聚环氧丙烷、聚环氧丁烷、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酰胺、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈人杰，马悦，吴锋，张海琴，闫明霞，温子越，陈楠，李丽，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11