一种氟化聚环氧乙烷固态电解质材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种氟化聚环氧乙烷固态电解质材料及其制备方法和应用，具体方法包括聚环氧乙烷粉末与含氟气体反应后再与锂盐混合后采用有机膜包覆后进行热压或热辊轧，缩小体积后，即得。本发明专利技术采用氟改性聚环氧乙烷，能有效提升PEO的结晶度，提升放电电压平台，改善PEO在高功率放电条件下的性能，且本发明专利技术的制备条件温和，采用低温条件氟化，适合规模化生产，有利于锂离子固态电池的全面商业化应用。有利于锂离子固态电池的全面商业化应用。有利于锂离子固态电池的全面商业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种氟化聚环氧乙烷固态电解质材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电池制备
，具体涉及一种氟化聚环氧乙烷固态电解质材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池(LIBs)于1991年首次引入市场。由于具有较高的比容量和比能量，LIBs广泛应用于汽车工业用电动工具、混合动力电动汽车和电动汽车以及日常生活用便携式设备。作为电池延长使用寿命以及提高性能的关键部件之一，电解质材料越来越受到广泛关注，它不仅应在宽泛的环境温度下提供适当的离子传导，而且还应保持良好的化学稳定性以及与电极材料良好的相容性。在大多数商用电池中，基于含锂盐的有机溶剂和分离器的液体电解质已被广泛使用，但是液体电解质由于易燃易爆的安全性问题导致其的进一步使用。
[0003]固态电解质(SPE)，由聚合物基体和小分子锂盐组成，具有一定的机械强度，可作为枝晶生长的物理屏障。由于不含熔剂组分，固态电解质可从根本上解决由于液体带来的安全性问题，尤其适用于金属锂电极电池。除了高安全性以外，固态电解质还具有更宽温度适用范围、更宽的电化学窗口、更高的能量密度、以及对锂枝晶生长的抑制能力。全固态锂离子电池与目前商业化锂离子电池相比，全固态电池直接由正负极、固态电解质复合而成，结构相对于液态锂离子电池更为简单，因此有利于提升整个电池系统的能量密度。同时结构上更加简单有利于电池的装配，降低电池的生产成本，此外全固态电池可以直接多层的叠加串联，直接制备出高电压的电池。
[0004]聚合物电解质材料具有质量轻、成本低、易成膜和稳定性好等优势，在全固态锂离子电池的应用中占据着重要的地位，尤其是它具有较低的弹性模量，能够设计成各种形状，且制备过程简单，适用范围广泛。目前有聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等高分子聚合物，其中PEO综合性能优异，最具应用前景。但随着应用领域的增加和使用需求的提升，PEO离子电导率较低的问题成为主要限制因素。PEO为半结晶聚合物，结晶度较高严重影响了Li
+
的传导。通过添加剂降低PEO的结晶度是目前主流的改性方法，但存在着共聚改性时间长，影响产物纯度，降低材料机械性能等问题。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术中的缺陷，本专利技术通过如下技术方案实现：
[0006]本专利技术的第一方面提供了一种氟化聚环氧乙烷固态电解质材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1：将聚环氧乙烷(即PEO)粉末放入管状氟化设备中，通入流速为0.5～5mL/min的氮气0.5～2h以排除空气，然后通入含氟气体，其流速为3～7mL/min，控制反应温度为40～60℃，反应8～16h，得到氟化聚环氧乙烷(以下缩写为F
‑
PEO)粉末；优选的，所述氮气的流速为2mL/min；优选的，所述通入氮气的时长为1h；优选的，所述F
2 5mL/min；优选的，所述反应
温度为50℃；优选的，所述反应时间为12h；
[0008]S2：将S1得到的F
‑
PEO粉末与锂盐按质量比(0.3～0.8)：1均匀混合，得到F
‑
PEO混合填料；优选的，F
‑
PEO粉末与锂盐按质量比0.6：1；
[0009]S3：采用有机薄膜包覆S2得到的混合填料形成包裹以防止混合填料受到污染，随后对该包裹进行热辊轧，直到所述包裹转变成厚度为100～200μm膜，即得；
[0010]进一步的，S1中，所述PEO的分子量大于40万；
[0011]进一步的，S1中，所述PEO的粒度为20～100目；
[0012]进一步的，S1中，所述的含氟气体为含3～30％v/v F2的N2；进一步优选的，S1中，所述含氟气体为含5～10％v/v F2的N2；
[0013]进一步的，S2中，所述锂盐包括但不限于LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、双氟磺酰亚胺锂(即LiFSI)或双三氟甲磺酰亚胺锂(即LiTFSI)；进一步优选的，所述锂盐为LiBF4、LiClO4或双三氟甲磺酰亚胺锂(即LiTFSI)；
[0014]进一步的，所述S3步骤具体包括：采用有机薄膜包覆S2得到的混合填料形成长为8～12cm、宽为8～12cm以及厚度为0.2～0.8mm的包裹以防止混合填料受到污染，随后对该包裹进行热辊轧，初始设置辊压机的辊间距为1.2～1.5mm，第一次来回辊压15～20次；然后再缩小辊间距0.1mm，再重复第一次辊压操作；重复多次以上操作直到辊间距为0.6～0.9mm时，再重复第一次操作，最终使得所述包裹转变成厚度为100～200μm的膜，即得；优选的，形成长为9cm、宽为9cm以及厚度为0.5mm的包裹；优选的，初始设置辊压机的辊间距为1.4mm；优选的，重复多次以150μm的膜；
[0015]更进一步的，S3中，所述热辊轧的热辊转速为5～10r/min；所述热辊表面温度为100～150℃；更进一步的，S3中，所述热辊轧的热辊转速为8r/min；所述热辊表面温度为120℃；
[0016]更进一步的，S3中，所述有机薄膜包括但不限于聚酰亚胺薄膜或聚四氟乙烯包膜；
[0017]进一步的，S3中，所述热辊轧替换为热压；
[0018]更进一步，S3步骤采用热压具体操作包括：采用有机薄膜包覆S2得到的混合填料形成长为8～12cm、宽为8～12cm以及厚度为0.2～0.8mm的包裹以防止混合填料受到污染，随后对该包裹进行热压，直到所述包裹的厚度达到100～200μm，即得；
[0019]更进一步的，所述热压在5～20Mpa、100～150℃下进行；更进一步优选的，所述热压在10Mpa、120℃下进行；
[0020]本专利技术的第二方面还提供了一种氟化聚环氧乙烷固态电解质材料，由上述任意一种方法制备获得；
[0021]本专利技术的第三方面还提供了上述任意一种氟化聚环氧乙烷固态电解质材料在制备电池中的用途；
[0022]进一步的，所述制备电极具体包括以下步骤：
[0023](1)调浆：按照(6～9):(0.5～2):(0.5～2)的质量比将包括电极材料、导电剂、粘结剂混合，搅拌均匀，制成电极浆料；优选的，所述电极材料：导电剂：粘结剂质量比为(8～9):(0.5～1):(0.5～1)；进一步优选的，所述电极材料包括镍钴锰锂(NCM)、镍钴铝锂(NCA)、镍钴锰铝锂(NCMA)在内的三元电极材料、磷酸铁锂、锰酸锂或石墨；
[0024](2)涂覆：将制得的电极浆料均匀涂布在铝箔上，涂覆厚度50～150μm，置于60～80
℃的鼓风干燥箱中干燥1～2h，随后转移至真空烘箱中，60～80℃干燥6～12h，得到电极片；
[0025](3)电池组装：将步骤(2)获得的电极片作为扣式电池正极、锂片作为负极以及F
‑
PEO作为固态电解质膜，进行扣式电池组装。
附图说明
[0026]图1：合成F
‑
PEO的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氟化聚环氧乙烷固态电解质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将聚环氧乙烷(即PEO)粉末放入管状氟化设备中，通入流速为0.5～5mL/min的氮气0.5～2h以排除空气，然后通入含氟气体，其流速为3～7mL/min，控制反应温度为40～60℃，反应8～16h，得到氟化聚环氧乙烷(以下缩写为F
‑
PEO)粉末；S2：将S1得到的F
‑
PEO粉末与锂盐按质量比(0.3～0.8)：1均匀混合，得到F
‑
PEO混合填料；S3：采用有机薄膜包覆S2得到的混合填料形成包裹以防止混合填料受到污染，随后对该包裹进行热辊轧，直到所述包裹转变成厚度为100～200μm膜，即得。2.根据权利要求1所述氟化聚环氧乙烷固态电解质材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述PEO的分子量大于10万。3.根据权利要求1或2所述氟化聚环氧乙烷固态电解质材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述PEO的粒度为20～100目。4.根据权利要求1所述氟化聚环氧乙烷固态电解质材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述的含氟气体为含3～30％v/v F2的N2。5.根据权利要求1所述氟化聚环氧乙烷固态电解质材料的制备方法，其特征在于，S2中，所述锂盐包括但不限于LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、双氟磺酰亚胺锂(即LiFSI)或双三氟甲磺酰亚胺锂(即LiTFSI)。6.根据权利要求1所述的氟化聚环氧乙烷固态电解质材料的制备方法，其特征在于，所述S3步骤具体包括：采用有机薄膜包覆S2得到的混合填料形成长为8～12cm、宽为8～12cm以及厚度为0.2～0.8mm的包裹以防止混合填料受到污染，随后对该包裹进行热辊轧，初始设置辊压机的辊间距为1.2～1.5mm，第一次来回辊压15～20次；然后再缩小辊间距0.1mm，再重复第一次辊压操作；重复多次以上操作直到辊间距为0.6～0.9mm时，再重复第一次操作，使得所述包裹转变成厚度为100～200μm的膜，即得。7.据权利要求1或6所述的氟...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文荣，戴扬，鄢浩，王曈，朱德伦，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：