固态电解质、固态锂离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种固态电解质、固态锂离子电池及其制备方法，所述固态电解质由摩尔比为8‑10：1‑2：2‑3：1‑2的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅在光引发下交联而成的四元固态聚合物电解质，为适配于4V高电压正极材料的固态电解质。所述固态锂离子电池包括由封装膜封装而成的4V级弹性正极层、固态电解质层和弹性负极层，为具有4V高电压输出的弹性固态锂离子电池。

Solid electrolyte, solid lithium ion battery and its preparation

【技术实现步骤摘要】
固态电解质、固态锂离子电池及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池
，具体地说，是涉及固态电解质、固态锂离子电池及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池(LIBs)已经成功占领了电子类产品市场，但在电动汽车(EV)领域的性能却远远不能令人满意，主要是因为LIBs在满足高能量密度需求的同时，安全问题仍然是首要问题。频发的电动汽车起火事故引起了对人们对LIBs相当大的担忧。电池安全问题是由不同的原因引发的，如过充电、滥用、电池内部或外部短路等，但这些多多少少都与锂离子电池使用易挥发、易燃和有毒的液态有机碳酸盐基电解质有关。相对传统的液态有机碳酸盐基电解质，固态聚合物电解质具有一些明显的优势，主要表现在非挥发性、低可燃性、无电解质泄漏、易加工和机械强度高等方面。而且，固态聚合物电解质可以使用金属锂作为负极，从而表现出较高的能量密度。因此，在电动汽车中采用具有固态聚合物电解质的固态锂离子电池将能够有效解决电动汽车的安全性问题。到目前为止，在许多固态聚合物电解质当中，聚环氧乙烷(PEO)是被研究最多的一种，而且实际生活当中上也有应用。然而，PEO的最高占据分子轨道(HOMO)相当低，导致环氧乙烷链高压氧化稳定性差。所以，基于PEO的固态聚合物电解质基本只能限于3V级正极材料，因此，所制备的固态锂离子电池电压低，难以组装成适用于电动汽车的高功率电池，限制了固态锂离子电池在电动汽车领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种适配于4V高电压正极材料的固态电解质及其制备方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案予以实现：一种固态电解质，所述固态电解质是由摩尔比为8-10：1-2：2-3：1-2的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅在光引发下交联而成的四元固态聚合物电解质。一种制备固态电解质的方法，所述方法包括：将二苯甲酮溶于预干燥处理后的支链聚甲基丙烯酸甲酯中，获得质量分数为5-10%的溶液，搅拌并静置一定时间，形成二苯甲酮/支链聚甲基丙烯酸甲酯溶液；将预干燥处理后的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺粉体及二氧化硅粉体混合均匀，形成初级混合物，将所述二苯甲酮/支链聚甲基丙烯酸甲酯溶液加入至所述初级混合物中，形成糊状混合物；所述糊状混合物中，聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅的摩尔比为8-10：1-2：2-3：1-2；将所述糊状混合物真空密封，在90-120℃下静置一定时间，获得具有凝胶态聚环氧乙烷的混合物；将所述具有凝胶态聚环氧乙烷的混合物夹于两层聚脂薄膜之间，在90-120℃下热压，获得电解质膜；用紫外灯照射所述电解质膜，聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、及二氧化硅在光引发下交联，形成四元固态聚合物电解质；所述紫外灯的辐射功率为320-380W，光照时间为1-5min。本专利技术的目的之二是提供一种具有4V高电压输出的弹性固态锂离子电池及其制备方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案予以实现：一种固态锂离子电池，包括由封装膜封装而成的4V级弹性正极层、固态电解质层和弹性负极层；所述弹性正极层是在弹性导电基底上涂敷包括有正极活性物质、导电剂、聚合物及溶剂的正极浆料而成；所述弹性负极层是在弹性导电基底上涂敷包括有负极活性物质、导电剂、聚合物及溶剂的负极浆料而成；所述固态电解质层中的固态电解质是由摩尔比为8-10：1-2：2-3：1-2的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅在光引发下交联而成的四元固态聚合物电解质。一种制备固态锂离子电池的方法，所述方法包括：将4V级弹性正极层、固态电解质层和弹性负极层顺序叠加在一起，形成电池芯，在0-10Mpa压力下、75-105℃的温度下热压5-30min，并冷却；然后，在冷却后的电池芯两侧加上封装膜进行封装，并引出正极、负极，获得弹性固态锂离子电池；其中，所述弹性正极层是在弹性导电基底上涂敷包括有正极活性物质、导电剂、聚合物及溶剂的正极浆料而成；所述弹性负极层是在弹性导电基底上涂敷包括有负极活性物质、导电剂、聚合物及溶剂的负极浆料而成；所述固态电解质层中的固态电解质采用下述方法制备：将二苯甲酮溶于预干燥处理后的支链聚甲基丙烯酸甲酯中，获得质量分数为5-10%的溶液，搅拌并静置一定时间，形成二苯甲酮/支链聚甲基丙烯酸甲酯溶液；将预干燥处理后的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺粉体及二氧化硅粉体混合均匀，形成初级混合物，将所述二苯甲酮/支链聚甲基丙烯酸甲酯溶液加入至所述初级混合物中，形成糊状混合物；所述糊状混合物中，聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅的摩尔比为8-10：1-2：2-3：1-2；将所述糊状混合物真空密封，在90-120℃下静置一定时间，获得具有凝胶态聚环氧乙烷的混合物；将所述具有凝胶态聚环氧乙烷的混合物夹于两层聚脂薄膜之间，在90-120℃下热压，获得电解质膜；用紫外灯照射所述电解质膜，聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、及二氧化硅在光引发下交联，形成四元固态聚合物电解质；所述紫外灯的辐射功率为320-380W，光照时间为1-5min。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术提供的固态电解质，将聚环氧乙烷与高分子聚合物双三氟甲基磺酰亚胺和支链聚甲基丙烯酸甲酯复配，同时掺杂无机材料二氧化硅，并通过光引发交联，形成四元固态聚合物电解质，离子电导率高，4V高压下稳定性强，能够适配4V高电压正极材料，形成高电压的固态锂离子电池。2、本专利技术提供的固态锂离子电池，将4V级弹性正极层、适配于4V高电压正极材料的固态电解质及弹性负极层封装，一方面能够获得性能稳定的4V高电压输出，易于组装成适用于电动汽车的高功率电池；另一方面固态锂离子电池弹性变形范围大，卷成柱状或者切割后仍可以继续供电，不易发生短路等失效行为，运输方便，适用范围广。阅读本专利技术的具体实施方式后，本专利技术的其他特点和优点将变得更加清楚。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合实施例，对本专利技术作进一步详细说明。在本专利技术的一个固态电解质的实施例中，固态电解质是由聚环氧乙烷PEO、双三氟甲基磺酰亚胺LiTFSI、支链聚甲基丙烯酸甲酯PMTFSI及二氧化硅SiO2在光引发下交联而成的四元固态聚合物电解质。其中，聚环氧乙烷PEO、双三氟甲基磺酰亚胺LiTFSI、支链聚甲基丙烯酸甲酯PMTFSI、二氧化硅SiO2这四种物质需满足摩尔比为（8-10）：（1-2）：（2-3）：（1-2）。对于光引发交联而成的四元固态聚合物电解质，需要采用特定的方法制备而成。具体来说，一个制备该四元固态聚合物电解质的方法的实施例包括如下步骤：将二苯甲酮溶于预干燥处理后的支链聚甲基丙烯酸甲酯中，获得质量分数为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态电解质，其特征在于，所述固态电解质是由摩尔比为8-10：1-2：2-3：1-2的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅在光引发下交联而成的四元固态聚合物电解质。/n

【技术特征摘要】
1.一种固态电解质，其特征在于，所述固态电解质是由摩尔比为8-10：1-2：2-3：1-2的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅在光引发下交联而成的四元固态聚合物电解质。


2.一种制备固态电解质的方法，其特征在于，所述方法包括：
将二苯甲酮溶于预干燥处理后的支链聚甲基丙烯酸甲酯中，获得质量分数为5-10%的溶液，搅拌并静置一定时间，形成二苯甲酮/支链聚甲基丙烯酸甲酯溶液；
将预干燥处理后的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺粉体及二氧化硅粉体混合均匀，形成初级混合物，将所述二苯甲酮/支链聚甲基丙烯酸甲酯溶液加入至所述初级混合物中，形成糊状混合物；所述糊状混合物中，聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅的摩尔比为8-10：1-2：2-3：1-2；
将所述糊状混合物真空密封，在90-120℃下静置一定时间，获得具有凝胶态聚环氧乙烷的混合物；
将所述具有凝胶态聚环氧乙烷的混合物夹于两层聚脂薄膜之间，在90-120℃下热压，获得电解质膜；
用紫外灯照射所述电解质膜，聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、及二氧化硅在光引发下交联，形成四元固态聚合物电解质；所述紫外灯的辐射功率为320-380W，光照时间为1-5min。


3.一种固态锂离子电池，其特征在于，包括由封装膜封装而成的4V级弹性正极层、固态电解质层和弹性负极层；
所述弹性正极层是在弹性导电基底上涂敷包括有正极活性物质、导电剂、聚合物及溶剂的正极浆料而成；
所述弹性负极层是在弹性导电基底上涂敷包括有负极活性物质、导电剂、聚合物及溶剂的负极浆料而成；
所述固态电解质层中的固态电解质是由摩尔比为8-10：1-2：2-3：1-2的聚环氧乙烷、双三氟甲基磺酰亚胺、支链聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅在光引发下交联而成的四元固态聚合物电解质。


4.根据权利要求3所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述弹性导电基底为网孔导电碳布、石墨烯薄膜或碳纳米管薄膜中的任意一种。


5.根据权利要求3所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述正极活性物质为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2或LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中的任意一种；所述负极活性物质为石墨、二硫化钼、钛酸锂、四氧化三钴、碳硅复合材料中的任意一种。


6.根据权利要求3所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述导电剂为superP、导电石墨、导电炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述聚合物为聚氧化乙烯、聚苯醚、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚氧化丙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾圆春，刘光烨，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37