凝胶电解质和凝胶电解质电池制造技术

一种由浸入基质聚合物中的非水电解质溶液组成的凝胶电解质，其中溶剂的离子电导性得到改善，并可获得优秀的循环特性。为此，该凝胶电解质包括电解质，基质聚合物和非水溶剂。该非水溶剂是碳酸亚乙酯（ＥＣ），碳酸亚丙酯（ＰＣ）和γ－丁内酯（ＧＢＬ）的混合溶剂。该非水溶剂的重量组成是由在三角相图（ＥＣ，ＰＣ，ＧＢＬ）中的点（７０，３０，０），点（５５，１５，３０），点（１５，５５，３０）和点（３０，７０，０）围成的区域中。同时还公开了一种使用这种电解质的凝胶电解质电池。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及由浸入基质聚合物中的非水电解液组成的凝胶电解质，以及使用该电解质的凝胶电解质电池。近来，越来越来受到重视的是作为象摄象机或笔记本个人电脑这样的便携式电子设备光源的电池。为了减少电子设备的尺寸和重量，对那些不仅具有大的容量而且重量小并节省空间的电池的需要量正在增加。从这种观点出发，具有高的能量密度和高的输出密度的锂电池适合于作为便携式电子设备的光源。期望锂电池的外形具有多样性，比如电池表现出柔性和很大程度的形状自由度，减少厚度和面积很大的片状电池或面积减少和厚度减少的卡片电池。在传统技术中，密封由正极和负极以及在金属外壳内的一种电解液组成的电池元件，这就难以制造出这些不同外形的电池。另一方面，由于使用电解液，制造工艺复杂化，或需要采取措施以防电解液泄漏。为了克服这些问题，有人提出了使用固体电解质的电池，依次使用导电有机高聚物或无机陶瓷或使用那些由浸入在基质聚合物中的电解液组成的凝胶状固体电解质(以下称凝胶电解质)。在这些电池中，其电解质是固定的，可以保持电极和电解质两者之间的接触。这样，在这些电池中，不需要将在金属外壳内的电解液密封，因而可以制造使用了薄膜状外部材料的小厚度电池。作为使用固体电解质的电池的外壳材料，可使用由高分子薄膜或薄金属膜构成的一种多层薄膜。特别是，由热熔性树脂层和金属箔层组成的防潮多层薄膜，是最佳选择，它可以通过使用热密封而帮助实现气密结构，而且该多层薄膜本身具有很高的强度和气密性，而重量较轻，厚度比较薄并且比金属壳便宜。然而，如果上述薄膜用作电池的外部材料，并且用低沸点的溶剂作为电解质的溶剂，当电池置于高温环境下时，随着溶剂蒸气压的增加电池内部的压力也将增加，从而产生膨胀。因此，如果一种薄膜用作电池的永久材料，溶剂的选择就必须考虑其沸点。如果要形成凝胶电解质，除非电解质的溶剂与基质聚合物是相容的，否则是不可能形成凝胶的。为此选挥溶剂必须考虑与基质聚合物的相容性。通常用于锂离子电池中的低沸点溶剂，如碳酸二甲酯，碳酸甲乙酯或碳酸二乙酯，都是高凝固点和低粘度的，因而能使电解质在较低的温度下离子电导性大大有效增加。但是，由于相容性或沸点的制约，这些溶剂不能作为用作电池外壳材料的凝胶电解质的溶剂。于是，由于可用溶剂的限制，在凝胶电解质中离子电导性通常低于溶液电解质，从而导致电池内阻增加。特别是，在寒冷的环境下，例如-20℃，其内阻显著增加到几乎不可能进行放电程度。这样，在凝胶电解质中低的离子电导性使改进电池性能的尝试失败。上述问题可以通过在溶剂中加入γ-丁内酯(GBL)解决。因为GBL是低粘度和低熔点的，它具有良好的离子电导性并能产生大电流。甚至在比较低的温度下GBL的离子电导性也比其它高沸点溶剂好。而且，GBL具有较高的介电常数并且可以在高浓度下溶解盐类电解质。此外，GBL与用作凝胶电解质的基质聚合物的聚偏二氟乙烯PVdF或与PVdF和六氟丙烯(HFP)的共聚物之间具有较高的相容性。这样，如果考虑到与用于形成凝胶电解质的基质聚合物的相容性，GBL是极好的溶剂。然而，使用GBL作为电解质用溶剂的锂离子电池其循环特性通常是低的。这可认为是由于在负极上GBL经历了氧化还原反应。制造既能显示满意的循环特性又不损害低温特性和负载特性(大电流特性)或凝胶电解质稳定性的锂离子二次电池是很困难的。所以，本专利技术的一个目的是提供改进了溶剂离子电导性并具有优秀的循环特性的凝胶电解质和凝胶电解质电池。一方面，本专利技术提供的凝胶电解质包括电解质，基质聚合物和非水溶剂。该非水溶剂是碳酸亚乙酯(EC)，碳酸亚丙酯(PC)和γ-丁内酯(GBL)的混合溶剂。该非水溶剂的重量组成是在三角相图(EC，PC，GBL)中围绕点(70，30，0)，点(55，15，30)，点(15，55，30)和点(30，70，0)的区域中。在本专利技术的凝胶电解质中，溶剂组成是最优化的，以便消除电解质分解从而改进离子电导性和导电性，并且因此用作电池电解质的凝胶电解质是优化的。另一方面，本专利技术提供的凝胶电解质电池包括含有正极活性材料的正极，含有负极活性材料的负极，负极面对正极排列，和凝胶电解质，该凝胶电解质置于正极和负极之间。该凝胶电解质包括电解质，基质聚合物和非水溶剂。该非水溶剂是碳酸亚乙酯(EC)，碳酸亚丙酯(PC)和γ-丁内酯(GBL)的混合溶剂。该非水溶剂的重量组成是在三角相图(EC，PC，GBL)中围绕点(70，30，0)，点(55，15，30)，点(15，55，30)和点(30，70，0)的区域中。在本专利技术的凝胶电解质电池中，在凝胶电解质中的溶剂组成是最优化的，以便使得凝胶电解质的离子电导性和导电性得以改进，并使兼顾各种电池特性成为可能，例如循环特性，低温特性或初始充/放电特性。根据本专利技术，在固体电解质中电解质的分解被抑制到最小，通过使电解质的溶剂组成最优化可以实现这一点。此外，通过使用本专利技术的固体电解质，可以实现改进循环特性和提高总电池性能，而不损害初始充/放电特性，电池容量，大电流放电或低温环境放电。本固体电解质电池可以便利地用作便携式电子设备的电源，例如便携式电话机，摄象机或笔记本式个人电脑。附图说明图1是本专利技术的固体电解质电池结构的透视图。图2是沿着图1的X-Y线的截面图。图3是正极和负极形成电极卷状态的透视图。图4是正极结构的透视图。图5是负极结构的透视图。图6是凝胶电解质中溶剂组成的三角相图。图7是凝胶电解质中溶剂组成的又一个三角相图。参考附图，将详细说明根据本专利技术优选的实施例。图1和图2表示用于本专利技术的一种凝胶电解质电池的结构。这种凝胶电解质电池1包括条带状的正极2，面向正极2排列的条带状负极3，设置在正极2和负极3之间的凝胶电解质层4。在这种凝胶电解质电池1中，正极2和负极3呈层状排列且凝胶电解质层4插入其间，并且将其沿长度方向卷绕成卷以制成电极卷5，见图3。然后将这种电极卷铠装并用一种绝缘材料制成的外薄膜6进行气密性密封。正极端子7和负极端子8分别和正极2和负极3连接，该正极端子7和负极端子8箝在密封开口部分处形成外薄膜6的边沿。该正极2由正极活性材料层2a组成，含有形成于正极集电体2b的二个表面上的正极用活性材料，示于图4。举例说，该正极集电体2b可以是金属箔，如铝箔。正极2的活性材料可以是复合氧化物，如钴酸锂，镍酸锂或锰酸锂，部分地被其它过渡金属取代的这些复合氧化物，过渡金属化合物，如二氧化锰或五氧化二钒，以及过渡金属的硫属化合物，如硫化铁。图4表示如下文所述凝胶电解质层4在正极2的活性材料层2a上面形成的状态。在负极3中，负极3的活性材料层3a形成在负极集电体3b的两个表面上。举例说，负极集电体3b可以是金属箔，如铜箔。作为负极活性材料，可以用掺杂和去掺杂锂的材料。可以掺杂和去掺杂锂的材料列举如下热解炭，焦炭，炭黑例如乙炔黑，碳材料如石墨，玻璃炭，活性炭，碳纤维，有机高分子烧结材料，烧结咖啡豆，烧结纤维素或烧结竹子，以及导电聚合物例如金属锂，锂合金或聚乙炔。在图5中，如下文所述的凝胶电解质层4在负极3的活性材料层3a上形成。该凝胶电解质层4含有电解质盐，基质聚合物和作为增塑剂的非水溶剂。作为电解质盐，可以使用作为电解质盐用于这种凝胶电解质的常用的已知盐。然而，至少使用LiPF6和LiN本文档来自技高网...

【技术保护点】
凝胶电解质，包括： 电解质； 基质聚合物；和 非水溶剂； 所述非水溶剂是碳酸亚乙酯（ＥＣ），碳酸亚丙酯（ＰＣ）和γ－丁内酯（ＧＢＬ）的混合溶剂； 所述非水溶剂的重量组成是在三角相图（ＥＣ，ＰＣ，ＧＢＬ）中，由点（７０，３０，０），点（５５，１５，３０），点（１５，５５，３０）和点（３０，７０，０）围成的区域中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：涉谷真志生，后藤习志，
申请(专利权)人：索尼株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]