有机固态电解质及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种有机固态电解质及其应用，其中有机固态电解质包括锂盐、聚合物基体材料及离子液体，离子液体包括化合物B和如下化合物1，化合物B的结构如下式1所示：

【技术实现步骤摘要】
有机固态电解质及其应用
本专利技术属于电池
，尤其涉及一种有机固态电解质及其应用。
技术介绍
随着照相机、数码摄像机、移动电话和笔记本电脑等电子设备的广泛应用，人们对电化学装置(例如，锂离子电池)的性能要求越来越高。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，已被广泛应用于各个领域。传统锂离子电池中使用的电解液存在易燃的隐患，因此，采用有机固态电解质作为电解液替代物已成为研究方向之一。有机固态电解质与电极的相容性好，界面阻抗小；具有良好的力学性能，能有效抑制锂负极枝晶的产生；而且其制备方法简单，具有良好的成膜性能，可通过降低电解质膜的厚度提升锂电池的能量密度，是最接近商业化生产应用的一类固态电解质。但是，较低的离子电导率极大地限制了有机固态电解质的应用，同时含有该有机固态电解质的锂电池高温循环性能差，而且有机固态电解质不能耐高温，依然存在热失控的风险，截止目前，针对有机固态电解质热失控的预防措施相对匮乏。因此，亟需一种有机固态电解质，以解决现有技术的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种有机固态电解质，该有机固态电解质具有较高的离子电导率、不易燃及能够提高锂电池的高温循环性能。本专利技术的另一目的在于提供上述有机固态电解质在锂电池中的应用。为实现以上目的，本专利技术提供了一种有机固态电解质，包括锂盐、聚合物基体材料及离子液体，离子液体包括化合物B和如下化合物1，化合物B的结构如下式1所示：其中，R1、R2、R3各自独立地选自为烷基、氟代烷基、烷氧基和氟代烷氧基中的一种。与现有技术相比，本专利技术的有机固态电解质包括化合物1和结构式1所示的化合物B，其中化合物1属于哌啶基离子液体,化合物B属于吡咯基离子液体，两者的阴离子相同，哌啶类阳离子具有更宽的电化学窗口，而吡咯类阳离子具有较好的离子电导率，两者结合使得有机固态电解质具有相对较高的离子电导率和高电压稳定性。将该有机固态电解质应用于锂电池后，具有较好的高电压稳定性的有机固态电解质能够提高锂电池的高温循环性能，同时有机固态电解质中的吡咯基离子液体能够于高电压体系下在电极界面形成具有耐高压性能的固体电解质界面(SEI)膜，这使得电极具有较好的高电压稳定性，而具有较好电压稳定性的电极能够进一步提高锂电池的高温循环性能。另，含有磷氧基团的吡咯基离子液体具有吸热分解、减慢自加热速度、延迟热失控反应，减少热量释放的作用，同时化合物B上引入的磷氧基团能够有效阻止锂离子电池穿刺时失效而致的燃烧产生，故本专利技术的有机固态电解质具有较好的阻燃性。具体地，化合物1的CAS号为608140-12-1。较佳地，本专利技术的化合物1和化合物B于有机固态电解质中的质量百分比分别为45～75％、1～25％。较佳地，本专利技术的化合物B选自以下化合物2-化合物4中的至少一种：其中化合物2、化合物3、化合物4可分别按照下列合成路线得到：较佳地，本专利技术的聚合物基体材料包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。聚合物基体材料采用PVDF-HFP和PMMA，能够有效地改善以纯PVDF-HFP为基的有机固态电解质本身所固有的缺点，如柔韧性较差，电解液易挥发，膜易干燥等问题。较佳地，本专利技术的聚合物基体材料还包括增塑剂，增塑剂为γ-丁内酯(γ-GBL)。在PVDF-HFP/PMMA形成的高分子网络体系中，锂盐在增塑剂γ-丁内酯的作用下更易离解出Li+，从而使Li+能在有机固态电解质中自由迁移，这也使得有机固态电解质在室温下具有更高的离子电导率。较佳地，本专利技术由PVDF-HFP、PMMA和γ-GBL三者构成的聚合物基体材料于有机固态电解质中的质量百分比为10～20％；其中PVDF-HFP于聚合物基体材料中的质量百分比为10～90％，PMMA于聚合物基体材料中的质量百分比为5～50％；γ-GBL于聚合物基体材料中的质量百分比为0～10％。较佳地，本专利技术的锂盐为LiPF6、LiFSI和LiTFSI中的至少一种。优选地，本专利技术的锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，这是因为氟磺酰亚胺阴离子(TFSI-)半径大，有利于电荷分散，锂离子的扩散系数增大，而本专利技术的有机固态电解质依赖于链段运动进行锂离子传输通，这能够有效抑制有机固态电解质中的结晶现象，并促进锂离子在电解质中的传输，实现有机固态电解质在室温下离子电导率的提升。较佳地，本专利技术的锂盐于有机固态电解质中的质量百分比为6～10％。较佳地，本专利技术的有机固态电解质还包括无机材料，无机材料为Al2O3、γ-AlOOH和LiSiO3中的至少一种。无机材料能抑制聚合物结晶，同时无机粒子与电解质界面相互作用可提高有机固态电解质的离子电导率；无机材料的加入还会增加有机固态电解质的机械强度，进而提高其可使用性。较佳地，本专利技术的无机材料于有机固态电解质中的质量百分比为5～15％。较佳地，本专利技术的有机固态电解质还包括添加剂，添加剂为Li2CB11H12、Li2B12F12、LiNO3、CsPF6、RbPF6、LiN(SO2F)(SO2CF3)、LiC(SO2CF3)3、LiPF2(C2O4)和LiBF4中的至少一种。优选地，添加剂为MPF6、Li2CB11H12及Li2B12F12的混合物，其中MPF6为CsPF6或RbPF6。Li2CB11H12和Li2B12F12与锂离子具有较低的结合能，有利于锂离子的传输，而且Li2CB11H12和Li2B12F12都不会产生酸，另外二阶段的氧化状态稳定，与有机固态电解质配合可以提高锂离子电池的高温耐热性，同时由于Li2B12F12自身结构的稳定能够进一步提高有机固态电解质的安全性，而MPF6中阳离子半径较大，能够在负极界面阻止Li+浓度过高析出的锂枝晶，进而有效延迟或消除负极锂枝晶产生，提高电池的安全性能。较佳地，本专利技术的添加剂于有机固态电解质中的质量百分比为0.1～5％。为实现以上目的，本专利技术还提供了一种上述有机固态电解质在锂电池中的应用。将本专利技术的有机固态电解质应用于锂离子电池中，因有机固态电解质具有较高的离子电导率、不易燃性及良好的高电压稳定性，进而可保证锂离子电池具有较好的电性能、高温循环性能及安全性。同时有机固态电解质中的吡咯基离子液体能够于高电压体系下在电极界面形成具有耐高压性能的固体电解质界面(SEI)膜，这使得电极具有较好的高电压稳定性，而具有较好高电压稳定性的电极能够进一步提高锂电池的高温循环性能。具体实施方式为更好地说明本专利技术的目的、技术方案和有益效果，下面将结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。需说明的是，下述实施所述方法是对本专利技术做的进一步解释说明，不应当作为对本专利技术的限制。实施例1(1)在充满氮气的手套箱(O2＜2ppm，H2O＜3ppm)中，将1.7gPVDF-HFP、0.2gPMMA、0.1gγ-GBL与20gN-甲基吡咯烷酮(NMP)混合，常温下强力搅拌24h后形成无色凝胶状物质。(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有机固态电解质，包括锂盐、聚合物基体材料及离子液体，其特征在于，所述离子液体包括化合物B和如下化合物1，所述化合物B的结构如下式1所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种有机固态电解质，包括锂盐、聚合物基体材料及离子液体，其特征在于，所述离子液体包括化合物B和如下化合物1，所述化合物B的结构如下式1所示：



其中，R1、R2、R3各自独立地选自为烷基、氟代烷基、烷氧基和氟代烷氧基中的一种。


2.如权利要求1述的有机固态电解质，其特征在于，所述化合物1和所述化合物B于所述有机固态电解质中的质量百分比分别为45～75％、1～25％。


3.如权利要求1所述的有机固态电解质，其特征在于，所述化合物B选自以下化合物2-化合物4中的至少一种：





4.如权利要求1所述的有机固态电解质，其特征在于，所述聚合物基体材料包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和聚甲基丙烯酸甲酯。


5.如权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周崇旺，高学友，赵悠曼，
申请(专利权)人：东莞市创明电池技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44