一种离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电池材料领域，公开了一种离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用。该离子液体凝胶电解质，包括以下组分：离子液体、聚合物、锂盐、无机纳米粒子；离子液体的结构如式(1)或式(2)所示：

【技术实现步骤摘要】
一种离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用
本专利技术属于电池材料领域，特别涉及一种离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用。
技术介绍
随着各种电子产品和电动汽车的电池发展，以及新能源和智能电网的建设，储能电池的重要性也愈发凸显，并且已成为各个国家和各级政府重点发展产业。相比传统的化石能源，水电、太阳能、地热能、风能和生物质能等清洁能源具有可再生和环境友好等优势。但由于太阳能和风能等都是间隙能源，必须先储存起来，才能实现其平滑输出。用电池来储能，建立智能电网，是目前最有效的解决方案。有代表性的三种储能电池技术是钠硫电池、液流电池和锂离子电池。钠硫电池由于工作温度高(300-350℃)，液流电池由于外储箱的存在，导致钠硫电池、液流电池一般适合于大型储能设备。除用于间隙能源的储存外，储能电池更为重要的应用领域是电动汽车和便携式电子产品。尽管各类锂离子电池已被广泛的应用，其比能量已达到250Wh/kg，但仍然无法满足现实所需，迫切需要新的替代品。因此，全固态锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池和燃料电池等高容量电池的研发备受关注，有望成为下一代动力或储能电池。全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液(含有机液态电解液的电池安全性较差)，有望从根本上解决电池由于液态电解液引起的安全性问题，并大幅提高电池的能量密度。全固态电池是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。但全固态电池中电极/电解质固固界面一直存在界面阻抗大、界面稳定性不良、界面应力变化等严重问题，直接影响电池的性能，其真正的产业化可能在2030年以后。r>用聚合物凝胶电解质替代电解液被认为是解决上述问题的有效方案，可以降低液体电解液的漏液风险，简化电池内部结构，提高能量密度。聚合物凝胶电解质主要由聚合物、塑化剂和锂盐几部分组成。传统聚合物凝胶电解质中的塑化剂主要是碳酸酯类溶剂，例如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)等。这些有机溶剂的存在使得电池，尤其是在高温条件下仍然有较高的风险。因此，提供一种新的、不含易燃易挥发物质、且具有高电导率和高机械强度的凝胶电解质，降低准固态电解质与其他电池材料的界面电阻，提高电池的能量密度、充放电效率和安全性，是十分有必要的。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种离子液体凝胶电解质及其制备方法和应用，所述离子液体凝胶电解质不含易燃易挥发性物质，可提高电池的安全性，电导率高，有利于降低电池中的界面电阻，以及提高电池的充放电效率，进一步提高电池的能量密度。本专利技术的专利技术构思：离子液体(IonicLiquids)是一类完全由离子构成的，特殊的室温有机熔融盐，挥发性极低，也不可燃烧，安全环保。因此，利用离子液体代替传统的电解液溶剂，构建凝胶电解质，可以从根本上提高电池的安全性。本专利技术所述离子液体指阴阳离子中心通过共价键连接，分子整体呈中性的一类离子液体化合物。由于整体呈中性，离子液体不会在电场中发生电迁移，作为塑化剂，不仅能提高锂离子迁移数，还能促进锂盐的解离，提高锂离子的摩尔电导率。无机纳米粒子的加入可降低聚合物的玻璃转化温度和结晶性，并通过增加纳米颗粒表面的无序度提高电解质的电导率。本专利技术以离子液体代替传统的有机塑化剂，通过与聚合物、锂盐和无机纳米粒子的优化组合，构建高性能的凝胶电解质。该凝胶既是电解质，用于准固态电池开发，可提高界面浸润性，降低界面电阻，提高充放电效率；又是隔膜，可以简化电池内部结构，提高能量密度。本专利技术的第一方面提供一种离子液体凝胶电解质。具体的，所述离子液体凝胶电解质，包括以下组分：离子液体、聚合物、锂盐、无机纳米粒子；所述离子液体的结构如式(1)或式(2)所示：所述式(1)或式(2)中的R1为含醚键的基团(简称醚基)；所述式(1)或式(2)中的R2、R3分别独立地为烷基；n为2至20之间的任意整数。上述离子液体不仅挥发性低，不易燃烧，安全性高，而且由于整体呈电中性，不会随电位迁移，能保持高的锂离子迁移数。此外，上述离子液体能屏蔽离子之间的相互作用，促进锂盐的解离，从而提高电导率。因此，本专利技术所述离子液体凝胶电解质同时具有高的电导率和锂离子迁移数。优选的，所述R1为-CH2OCH3、-CH2OC2H5、-C2H4OCH3、-C2H4OC2H5、-C2H4OC2H4OCH3或-C2H4OC2H4OC2H5中的一种。R1的引入能有效降低离子间的堆积效率，增大空隙体积，从而降低粘度，并提高电导率。优选的，所述R2、R3分别独立地为-CH3、-C2H5、-C3H7、-C4H9、-C5H11或-C6H13中的一种；进一步优选的，所述R2、R3表示的烷基为直链烷基。优选的，n为2至10之间的任意整数。优选的，所述聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚氧乙烯(PEO)、聚氧丙烯(PPO)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVdF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VdF-HFP))或聚丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯(P(AN-MMA))中的至少一种。优选的，所述锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、硝酸锂(LiNO3)或高氯酸锂(LiClO4)中的至少一种。优选的，所述无机纳米粒子为SiO2、TiO2、Al2O3、MgO、ZrO2、ZnO2或蒙脱土中的至少一种。优选的，所述离子液体凝胶电解质中，按重量比计，所述离子液体占25％-78％；进一步优选的，所述离子液体占25％-75％。优选的，所述离子液体凝胶电解质中，按重量比计，所述聚合物占5％-50％；进一步优选的，所述聚合物占5％-25％。优选的，所述离子液体凝胶电解质中，按重量比计，所述锂盐占5％-45％；进一步优选的，所述锂盐占5％-35％。优选的，所述离子液体凝胶电解质中，按重量比计，所述无机纳米粒子占0.5％-12％；进一步优选的，所述无机纳米粒子占0.5％-10％。优选的，所述离子液体凝胶电解质中，按重量比计，包含离子液体25％-78％、聚合物5％-25％、锂盐5％-45％、无机纳米粒子0.5％-12％。进一步优选的，所述离子液体凝胶电解质中，按重量比计，包含离子液体25％-75％、聚合物10％-50％、锂盐5％-35％、无机纳米粒子0.5％-10％。本专利技术的第二方面提供上述离子液体凝胶电解质的制备方法。具体的，一种离子液体凝胶电解质的制备方法，包括以下步骤：将所述聚合物、锂盐、离子液体和无机纳米粒子加入溶剂中，混合，得混合物，除去所述溶剂，干燥，制得所述离子液体凝胶电解质。优选的，所述离子液体的合成过程包括以下步骤：将仲胺与卤代醚烃(卤代醚烃用R1X表示)反应，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子液体凝胶电解质，其特征在于，包括以下组分：离子液体、聚合物、锂盐、无机纳米粒子；/n所述离子液体的结构如式(1)或式(2)所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种离子液体凝胶电解质，其特征在于，包括以下组分：离子液体、聚合物、锂盐、无机纳米粒子；
所述离子液体的结构如式(1)或式(2)所示：



所述式(1)或式(2)中的R1为含醚键的基团；
所述式(1)或式(2)中的R2、R3分别独立地为烷基；
n为2至20之间的任意整数。


2.根据权利要求1所述的离子液体凝胶电解质，其特征在于，所述R1为-CH2OCH3、-CH2OC2H5、-C2H4OCH3、-C2H4OC2H5、-C2H4OC2H4OCH3或-C2H4OC2H4OC2H5中的一种。


3.根据权利要求1所述的离子液体凝胶电解质，其特征在于，所述R2、R3分别独立地为-CH3、-C2H5、-C3H7、-C4H9、-C5H11或-C6H13中的一种。


4.根据权利要求1所述的离子液体凝胶电解质，其特征在于，所述聚合物为聚丙烯腈、聚氧乙烯、聚氧丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的离子液体凝胶电解质，其特征在于，所述锂盐为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、双(氟磺酰)亚胺锂、三...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嘉恒，陈正件，胡常青，张世国，费玉清，孔晶，李庆东，胡佩元，王嘉慧，罗强，陈晓欣，
申请(专利权)人：珠海中科先进技术研究院有限公司，珠海汉格能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44