商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜及其制备方法，该聚合物复合固态电解质膜截面呈三明治结构，是在商用隔膜的两侧通过涂布聚合物浆料并烘干而形成有聚合物层。本发明专利技术提供的三明治结构聚合物复合固态电解质膜相对于单一聚合物固态电解质膜具有显著提高的力学性能、电化学对锂稳定性和循环稳定性，且本发明专利技术的技术方案工艺简单、易于实施，利于推广应用。利于推广应用。利于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子聚合物固态电解质膜制备领域，具体涉及商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，作为新一代储能设备被广泛应用到便携式电子设备、电网储能系统、新能源汽车等领域。随着锂离子电池的需求增加，电池的安全性能越来越受到关注。然而，传统锂离子电池使用的液态有机电解质可能会产生的泄漏、易燃甚至爆炸等一系列安全问题，限制了其进一步发展和应用。固态电解质相较于传统液体电解质具有可燃性低、热稳定性高、无泄漏、爆炸风险低的优点，可以显著提高锂离子电池的安全性能。
[0003]固态锂离子电池电解质主要分为无机固态电解质和聚合物固态电解质。无机固态电解质具有较高的锂离子电导率以及较宽电化学窗口，然而制备工艺复杂、能耗高且与电极间界面阻抗大。聚合物固态电解质虽然制备工艺简单、易于成膜、耐弯折且与电极间界面相容性优良，但存在室温锂离子电导率低、力学性能较差等不足。
[0004]为了解决单一无机固态电解质或聚合物固态电解质的以上问题，研究者们基于聚合物固态电解质，通过设计交联结构、添加增塑剂或共混陶瓷填料等方式以制备各种类型的聚合物复合固态电解质。聚合物复合固态电解质集合了单一无机固态电解质与聚合物固态电解质的性能优势，如具有显著提升的锂离子电导率、力学性能以及优良的界面相容性等。但这些方法制得的复合聚合物固态电解质仍鲜具有较优的室温电化学循环稳定性及对锂稳定性，且制备工艺较复杂、能耗较高，不利于大规模生产和应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种通用易行的聚合物复合固态电解质，通过引入商业化隔膜来构建三明治结构聚合物复合膜，以显著提高聚合物固态电解质的力学性能、室温电化学对锂稳定性和循环稳定性。本专利技术还提供了该商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜的制备方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供的商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜，呈三明治结构，是在商用隔膜的两侧设置有聚合物层；所述聚合物层是通过涂布聚合物浆料并烘干而形成。在聚合物复合固态电解质制备过程中，聚合物浆料会浸入多孔商用隔膜内部，形成一体化三明治结构。锂离子在三明治结构聚合物复合固态电解质膜内通过聚合物的链段运动实现传输。本专利技术提供的三明治结构聚合物复合固态电解质膜具有优异的力学性能，并能有效抑制锂枝晶生长，显示出优异的室温电化学循环稳定性和对锂稳定性。
[0008]上述三明治结构聚合物复合固态电解质膜的技术方案中，所述商用隔膜为聚乙烯
(PE)隔膜、聚丙烯(PP)隔膜、陶瓷涂布PE隔膜、陶瓷涂布PP隔膜、双层PP/PP隔膜、双层PP/PE隔膜和三层PP/PE/PP隔膜中的至少一种。
[0009]上述三明治结构聚合物复合固态电解质膜的技术方案中，所述聚合物浆料的组分包括聚合物基体、锂盐和无机填料。所述聚合物基体为聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯
‑
co
‑
六氟丙烯(PVDF
‑
HFP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)和聚碳酸丙烯酯(PPC)中的至少一种。所述锂盐为高氯酸锂(LiClO4)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、硝酸锂(LiNO3)、硼酸锂(LiBO3)和氯化锂(LiCl)中的至少一种。所述无机填料为SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Li
0.3
La
0.557
TiO3(LLTO)、Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3(LATP)、Li7La3Zr2O
12
(LLZO)、Li6PS5Cl和Li
6.4
La3Zr
1.4
Ta
0.6
O
12
(LLZTO)中的至少一种。
[0010]上述三明治结构聚合物复合固态电解质膜的技术方案中，商业化隔膜两侧的聚合物基体可以相同或不同。
[0011]上述三明治结构聚合物复合固态电解质膜的技术方案中，从电池性能出发，优选复合固态电解质膜的厚度为30
‑
200μm，商业化隔膜层厚度为20
‑
40μm，单侧聚合物电解质层厚度为5
‑
100μm，两侧聚合物电解质层厚度比为1:1
‑
1:9。
[0012]本专利技术还提供了上述商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜的制备方法，步骤如下：
[0013]步骤1、在40～65℃水浴条件下，将聚合物基体、锂盐和无机填料均匀溶解或分散于极性溶剂中，获得聚合物浆料；在所述聚合物浆料中，聚合物基体的质量分数为5
‑
20％，锂盐的质量分数为3
‑
20％，无机填料的质量分数为0
‑
10％。
[0014]步骤2、在商用隔膜的一侧均匀涂布所述聚合物浆料并烘干成膜；再在商用隔膜的另一侧均匀涂布所述聚合物浆料并烘干成膜，即获得目标产品商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜。
[0015]上述商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜的制备方法中，步骤1所述的极性溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)、N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)、无水乙腈(ACN)中的至少一种。
[0016]上述商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜的制备方法中，步骤2中，第一次烘干是置于40～100℃真空烘箱中干燥2～7h，第二次烘干是置于40～100℃真空烘箱中干燥17～22h。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的技术方案产生了以下有益效果：
[0018]本专利技术提供了基于商业化锂离子电池隔膜构建三明治结构聚合物复合固态电解质的通用型方法，通过在隔膜两侧均匀涂覆不同组分或类型的锂离子传导型聚合物基体，可实现多样化三明治结构聚合物复合固态电解质的制备。本专利技术所提供的三明治结构聚合物复合固态电解质膜具有优异的力学性能，能有效抑制锂枝晶生长，显示出优异的室温电化学循环稳定性和对锂稳定性。本专利技术的制备方法通用易行、经济有效，有利于实现三明治结构聚合物复合固态电解质的规模化生产。
附图说明
[0019]图1为实施例1制备的三明治结构聚合物复合固态电解质膜的横截面扫描电镜照
片。
[0020]图2为实施例1制备的三明治结构聚合物复合固态电解质膜和对比例1制备的PVDF聚合物固态电解质膜的室温循环性能图。
[0021]图3为实施例2制备的三明治结构聚合物复合固态电解质膜和对比例2制备的PVDF/LLZTO聚合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜，其特征在于：所述聚合物复合固态电解质膜截面呈三明治结构，是在商用隔膜的两侧设置有聚合物层；所述聚合物层是通过涂布聚合物浆料并烘干而形成。2.根据权利要求1所述的商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜，其特征在于：在40～65℃水浴条件下，将聚合物基体、锂盐和无机填料均匀溶解或分散于极性溶剂中，即获得所述聚合物浆料。3.根据权利要求2所述的商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜，其特征在于：所述聚合物基体为聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯
‑
co
‑
六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氯乙烯和聚碳酸丙烯酯中的至少一种。4.根据权利要求2所述的商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜，其特征在于：所述锂盐为高氯酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、硝酸锂、硼酸锂和氯化锂中的至少一种。5.根据权利要求2所述的商用隔膜基三明治结构聚合物复合固态电解质膜，其特征在于：所述无机填料为SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Li
0.3
La
0.557
TiO3、Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3、Li7La3Zr2O
12
、Li6PS5Cl和Li
6.4
La3Zr
1.4
Ta
...

【专利技术属性】
技术研发人员：石琨，许争杰，张卫新，杨则恒，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：