一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质及制备方法技术

本发明专利技术涉及锂电池技术领域，具体涉及一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质及制备方法。本发明专利技术依次通过二氧化硅气凝胶和锂盐制备载锂二氧化硅气凝胶，然后聚硅氧烷和环氧乙烷在真空气氛，六氰基钴酸铁的催化下制备一种改性聚合物溶胶并将载锂二氧化硅气凝胶包裹，制备一种二氧化硅气凝胶框架聚合物电解质材料。这种二氧化硅气凝胶框架聚合物电解质增加了电解质内部的锂离子通道，并且机械强度较高；此外改性聚合物溶胶增加了‑O‑极性键，提高了锂离子在聚合物中的迁移效率，从而提高电解质体系的离子电导率。

【技术实现步骤摘要】
一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质及制备方法
本专利技术涉及锂电池
，具体涉及一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质及制备方法。
技术介绍
随着科学技术的进步，人们已经进入数字信息时代，可携带智能数码产品迅速发展，智能手机、笔记本电脑、音响设备、游戏机等。另一方面，石油资源日渐枯竭，汽车尾气对生态环境影响日益显著，人们环保意识的不断增强，新能源电动汽车受到越来越多的关注。近几年，人们对消费电子产品和电动汽车等的锂离子电池安全性、能量密度等要求的不断提升，传统液态有机电解液的锂离子电池存在电解液泄漏、挥发，受到撞击时甚至易发生短路引起燃烧、爆炸等安全隐患。锂离子电池能量密度高，稳定性强，无记忆效应，循环寿命长，作为一种商业化的高效储能器件得到了广泛应用。目前商业锂离子电池主要采用有机电解液，其在非常规环境下存在漏液、燃烧、爆炸等安全隐患。即传统锂离子电池中所使用的电解质为液态的六氟磷酸锂，由于其自身极不稳定，容易分解导致电池胀气，同时在高温、短路、过充或物理碰撞时极易燃烧和爆炸。尽管通过外部封装加入保护机制，其仍然具有较大的安全隐患。固态锂离子电池使用固态电解质替代液态电解质，可以从根本上解决液态锂离子电池的安全问题和使用温区问题，同时可以有效降低电解质对正负极的腐蚀，具有避免电池内部短路、防止电解液泄露、不含易燃易爆成分等独特优势。固态聚合物电解质具备良好的可加工性能、良好的柔性，易于实现工业化生产，稳定的界面兼容性以及能够更好地适应电极材料充放电过程中的体积变化等。聚硅氧烷具有较低玻璃化转变温度(低于-100℃)，且尺寸热稳定性好，化学稳定性好不易燃烧，因此聚硅氧烷基聚合物电解质的安全性更高。申请号为201910828414.6的中国专利公开了一种固态锂电池，包括：正极、负极和固态电解质，其中，所述正极包括正极活性物质，所述正极活性物质包括粒径为100纳米～1微米的过渡金属氧化物。本专利技术固态锂电池中正极活性材料采用粒径为100纳米～1微米的过渡金属氧化物，具有较高的可逆比容量和较高的电位平台，可逆比容量大于674mAh/g，比能量大于1014Wh/kg，并且与不同类型的固态电解质均能匹配稳定循环。申请号为201911384702.3的中国专利公开了一种高导电率复合固态电解质、其制备方法及原位固态锂电池，将不饱和双键的烯类单体液体或可引发聚合的醚类电解液作为溶剂，加入锂盐、陶瓷型固态电解质和引发剂，混合均匀得到前驱体溶液，加热聚合，得到柔软的薄膜，即为高导电率复合固态电解质；采用高导电率复合固态电解质，裁剪后与电极材料进行组装，并在高导电率复合固态电解质与电极材料之间滴加前驱体溶液封装，加热聚合，得到原位固态锂电池。与现有技术相比，本专利技术采用自身聚合的复合膜作为固态电解质，不再额外使用传统的纤维素膜、聚酰亚胺隔膜或聚芳砜酰胺隔膜作为支撑，可以极大的增加锂离子的传输通路，具有极好的电池稳定性和库伦效率，具有广阔的应用前景。申请号为201780089708.0的中国专利描述了基于极性聚硅氧烷聚合物的新型聚合物电解质的合成和电化学性能。与环氧乙烷类聚合物不同，这些材料在高达至少4.2V的电压下具有氧化稳定性，4.2V的电压是使用诸如锂镍钴铝氧化物(NCA)和锂镍钴锰氧化物(NCM)之类的阴极材料的高能电池的工作电压。本专利技术还描述了在固态锂电池中使用这些聚合物电解质替代PEO的应用。申请号为202010206620.6的中国专利公开了一种三维无机聚合物复合固体电解质及三元固态锂电池，一种三维无机聚合物复合固体电解质及三元固态锂电池，该复合固体电解质由电解质浆料在聚酰亚胺类多孔膜上流延涂布而成；所述电解质浆料包括聚合物、纳米陶瓷粉体和锂盐；所述电解质浆料渗入所述聚酰亚胺类多孔膜中形成三维结构的固态电解质。本专利技术以聚酰亚胺类多孔膜为基材薄膜，通过流延涂布含有纳米陶瓷粉体和聚合物的电解质浆料，使浆料充分渗透到聚酰亚胺类多孔膜中，形成三维骨架结构的复合固体电解质，且其性能参数可控。本专利技术极大提高了复合固体电解质的机械力学性能，增强了抑制锂枝晶生长的能力，可提高电池的循环稳定性，延长循环寿命。此外，所述三维无机聚合物复合固体电解质的制备工艺简便。聚硅氧烷基聚合物的机械强度较差，离子电导率较低，导致锂电池内阻较大和倍率性能较差等问题，制约了其在锂电池电解质中的工业化生产。
技术实现思路
针对现有聚硅氧烷基聚合物的机械强度较差，离子电导率较低，导致锂电池内阻较大和倍率性能较差等缺陷。本专利技术提出一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质及制备方法。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质的制备方法，包括以下步骤：a、将二氧化硅气凝胶、锂盐按质量比10-30:90-70称取，按照二氧化硅气凝胶与锂盐总质量与30%的乙醇液的固液比为100g:180-220mL加入到去离子水中，在加入醋酸乙烯树脂粘接剂，维持水浴恒温55-65℃并以100-150r/min的速率匀速搅拌80-100min，锂盐溶解后均匀扩散至二氧化硅气凝胶框架内，再烘干得到载锂二氧化硅气凝胶；b、将聚硅氧烷和环氧乙烷按质量比50-80:15-25称取并加入到带有真空泵的反应器中，加入适量的异丙苯溶剂再逐滴滴入六氰基钴酸铁与溴化氢酸性混合溶剂，同时以400-500r/min的速率匀速搅拌，用真空泵将反应器抽至真空度为0.1-1kpa，并加热升高温度至90-110℃，反应3-5h，在酸性溶剂中六氰基钴酸铁的催化下，环氧乙烷取代聚硅氧烷支链中的部分甲基、苯基，形成一种粘性的改性聚合物溶胶；c、再将载锂二氧化硅气凝胶与b步骤得到的改性聚合物溶胶搅拌均匀，然后再鼓风干燥箱内，维持通风环境80-100℃的温度干燥1-3h，制备得到一种二氧化硅气凝胶框架聚合物电解质材料。二氧化硅气凝胶，又称为干凝胶。是由胶体粒子或高聚物分子构成的纳米多孔网络结构，并在空隙中充满气态分散介质的一种高分散固体材料，外表呈固体状。本专利技术利用二氧化硅气凝胶的多孔性能，作为锂电池中锂盐的载体使用。进一步的，步骤（a）中，所述二氧化硅气凝胶是由纳米尺寸3-30nm的颗粒互连构成的多孔材料，其间隙孔小于40nm。锂电池主要是依靠电解液中的锂离子进行穿梭，然后沉积（嵌脱）的，所以电解液中最重要成分为锂盐。进一步的，步骤（a）中所述锂盐电解质为六氟磷酸锂、三氟甲烷磺酸锂、双(草酸)硼酸锂中的至少一种。上述锂盐具有稳定性好，综合性能优异等。进一步的，步骤（a）中，所述二氧化硅气凝胶、锂盐的质量比20:80。醋酸乙烯树脂粘接剂有乳液型和溶剂型两类:醋酸乙烯树脂粘接剂俗称白乳胶，乳液中含有邻苯二甲酸二丁醋增塑剂胶层无色透明，醋酸乙烯树脂粘接剂可由醋酸乙烯单体在溶剂中聚合直接制得，也可将树脂溶解于丙酮、醋酸乙醋等溶剂配成。本专利技术在载锂二氧化硅气凝胶的制备过程中加入醋酸乙烯树脂粘接剂，可以进一步增加锂盐在二氧化硅气凝胶中的黏着力，使其不易脱落。醋酸乙烯树脂粘接剂在二氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/na、将二氧化硅气凝胶、锂盐按质量比10-30:90-70称取，按照二氧化硅气凝胶与锂盐总质量与30%的乙醇液固液比为100g:180-220mL混合，在加入醋酸乙烯树脂粘接剂，维持水浴恒温55-65℃并以100-150r/min的速率匀速搅拌80-100min，锂盐溶解后均匀扩散至二氧化硅气凝胶框架内，再烘干得到载锂二氧化硅气凝胶；/nb、将聚硅氧烷和环氧乙烷按质量比50-80:15-25称取并加入到带有真空泵的反应器中，加入适量的异丙苯溶剂再逐滴滴入六氰基钴酸铁与溴化氢酸性混合溶剂，同时以400-500r/min的速率匀速搅拌，用真空泵将反应器抽至真空度为0.1-1kpa，并加热升高温度至90-110℃，反应3-5h，在酸性溶剂中六氰基钴酸铁的催化下，环氧乙烷取代聚硅氧烷支链中的部分甲基、苯基，形成一种粘性的改性聚合物溶胶；/nc、再将载锂二氧化硅气凝胶与b步骤得到的改性聚合物溶胶搅拌均匀，然后再鼓风干燥箱内，维持通风环境80-100℃的温度干燥1-3h，制备得到一种二氧化硅气凝胶框架聚合物电解质材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将二氧化硅气凝胶、锂盐按质量比10-30:90-70称取，按照二氧化硅气凝胶与锂盐总质量与30%的乙醇液固液比为100g:180-220mL混合，在加入醋酸乙烯树脂粘接剂，维持水浴恒温55-65℃并以100-150r/min的速率匀速搅拌80-100min，锂盐溶解后均匀扩散至二氧化硅气凝胶框架内，再烘干得到载锂二氧化硅气凝胶；
b、将聚硅氧烷和环氧乙烷按质量比50-80:15-25称取并加入到带有真空泵的反应器中，加入适量的异丙苯溶剂再逐滴滴入六氰基钴酸铁与溴化氢酸性混合溶剂，同时以400-500r/min的速率匀速搅拌，用真空泵将反应器抽至真空度为0.1-1kpa，并加热升高温度至90-110℃，反应3-5h，在酸性溶剂中六氰基钴酸铁的催化下，环氧乙烷取代聚硅氧烷支链中的部分甲基、苯基，形成一种粘性的改性聚合物溶胶；
c、再将载锂二氧化硅气凝胶与b步骤得到的改性聚合物溶胶搅拌均匀，然后再鼓风干燥箱内，维持通风环境80-100℃的温度干燥1-3h，制备得到一种二氧化硅气凝胶框架聚合物电解质材料。


2.根据权利要求1所述的一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质的制备方法，其特征在于，步骤（a）中，所述二氧化硅气凝胶是由纳米尺寸3-30nm的颗粒互连构成的多孔材料，其间隙孔小于40nm。


3.根据权利要求1所述的一种固态锂电池二氧化硅气凝胶框架电解质的制备方法，其特征在于：步骤（a）中所述锂盐电解质为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，李国松，司文彬，陈涛，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51