一种可用于锂离子电池的凝胶电解质及其制备方法、锂离子电池技术

本公开提供了一种可用于锂离子电池的凝胶电解质及其制备方法、锂离子电池，涉及电化学技术领域。本公开提供的凝胶电解质，包括：凝胶聚合物，由聚合物单体、交联剂和反应助剂在有机溶剂

【技术实现步骤摘要】
一种可用于锂离子电池的凝胶电解质及其制备方法、锂离子电池


[0001]本公开涉及电化学
，特别涉及一种可用于锂离子电池的凝胶电解质及其制备方法、锂离子电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池是一种清洁高效、可广泛应用的储能设备，其具有电压高、能量密度高、循环寿命长等优点。传统锂离子电池采用非水液态有机电解质(液)，由于液态有机电解质在过度充电或内部短路等异常情况下，可能出现电解液发热，存在自燃或爆炸的安全隐患。而相较于液态电解质，固态电解质的研究尚未成熟，许多问题(如离子电导率、电化学稳定性、高界面电阻和加工困难等)并未完全解决。例如，聚合物固态电解质的电导率相对较低；而无机固态电解质又普遍不具备柔性的特点，不能弯折，无法满足相关性能及柔性化需求。
[0003]由聚合物交联网络和水溶液组成的水凝胶电解质兼具高离子迁移率、尺寸与性能稳定性、机械性能(如弹性、柔韧性)高度可调等优点，是电解质材料的理想选择。但是，传统的水凝胶聚合物电解质的稳定性不好，当处于冰点以下环境时，水凝胶聚合物电解质材料易冻结，从而失去弹性和导电性，导致锂离子电池在低温下无法使用，严重限制了它们的使用温度范围。

技术实现思路

[0004]为了解决上述先现有技术中存在的问题，本公开提供一种可用于锂离子电池的凝胶电解质及其制备方法、以及锂离子电池。
[0005]第一方面，本公开提供一种可用于锂离子电池的凝胶电解质，包括：凝胶聚合物，由聚合物单体和交联剂在有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中、并在反应助剂的存在下发生自由基聚合反应形成；以及锂盐，所述锂盐通过溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系而存在于所述凝胶聚合物中，其中，所述凝胶电解质在低温下至少具有以下特征：在
‑
20℃下的离子电导率不低于2.9
×
10
‑4s/cm，在
‑
20℃下的拉伸断裂率不低于360％，且电化学窗口在(2.2～2.4)至(4.7～5.0)之间。
[0006]在一些实施例中，所述二元溶剂体系中的有机溶剂包括乙二醇、1,5
‑
戊二醇、丙三醇、丙酮、甲醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、碳酸乙烯酯、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2
‑
二甲氧基乙烷中的至少一种。
[0007]在一些实施例中，在所述二元溶剂体系中，有机溶剂与水的体积比为(1～81):9。
[0008]在一些实施例中，所述聚合物单体、所述交联剂、所述反应助剂和所述锂盐溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中形成混合体系，以所述混合体系计，所述聚合物单体在所述混合体系中的含量为9～28wt.％。
[0009]在一些实施例中，所述聚合物单体包括丙烯酰胺、丙烯酸、[2
‑
(甲基丙烯酰基氧
基)乙基]二甲基
‑
(3
‑
磺酸丙基)氢氧化铵、甲基丙烯酰胺和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯中的至少一种。
[0010]在一些实施例中，所述聚合物单体、所述交联剂、所述反应助剂和所述锂盐溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中形成混合体系，以所述混合体系计，所述锂盐在所述混合体系中的含量为5
‑
50wt.％。
[0011]在一些实施例中，所述锂盐包括硝酸锂、氯化锂、硫酸锂、双(三氟甲基磺酰)氨基锂、双(五氟乙磺酰基)亚胺锂、LiN(SO2CF3)(SO2C2F5)(LiPTFSI)和三氟甲磺酸锂中的至少一种。
[0012]在一些实施例中，所述交联剂包括N'N
‑
二甲基丙烯酰胺和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的至少一种。
[0013]在一些实施例中，所述反应助剂包括引发剂。
[0014]在一些实施例中，所述反应助剂还包括加速剂。
[0015]在一些实施例中，所述引发剂包括过硫酸铵和过硫酸钾中的至少一种。
[0016]在一些实施例中，所述加速剂为N,N,N',N'
‑
四甲基二乙胺。
[0017]在一些实施例中，所述聚合物单体、所述交联剂、所述反应助剂和所述锂盐溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中形成混合体系，以所述混合体系计，所述引发剂在所述混合体系中的含量为0.005～0.4wt.％，所述加速剂在所述混合体系中的含量为0.005～0.6wt.％。
[0018]第二方面，本公开提供一种可用于锂离子电池的凝胶电解质的制备方法，包括以下步骤：(1)配置有机溶剂
‑
水二元溶剂体系；(2)将聚合物单体、锂盐、交联剂和反应助剂溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中，在惰性气体保护下除氧脱气后，得到凝胶电解质，其中，所述凝胶电解质包括凝胶聚合物和锂盐，所述凝胶聚合物由所述聚合物单体和所述反应助剂在所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中发生自由基聚合反应形成，所述锂盐通过溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系而存在于所述凝胶聚合物中。
[0019]在一些实施例中，所述步骤(2)中的反应助剂包括引发剂。
[0020]在一些实施例中，所述步骤(2)中的反应助剂还包括加速剂。
[0021]在一些实施例中，所述步骤(2)包括以下步骤：
[0022]将所述聚合物单体、所述锂盐和引发剂溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中，在惰性气体保护下除氧；以及
[0023]继续加入加速剂，得到所述凝胶电解质。
[0024]第三方面，本公开提供一种锂离子电池，包括如上述所述的凝胶电解质、正极和负极，其中，所述凝胶电解质位于所述正极和所述负极之间。
[0025]由以上技术方案可知，本公开通过采用有机溶剂
‑
水二元溶剂体系制备凝胶电解质，制备的凝胶电解质在低温(例如，
‑
20℃)下能表现出良好的柔韧性和导电性，极大地拓展了锂离子电池对温度的适应范围。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对
于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为锂离子电池的基本结构示意图；以及
[0028]图2为根据本公开一些实施方式中制备的凝胶电解质在(
‑
20℃～60℃)下的离子电导率。
具体实施方式
[0029]为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的较佳实施例。但是，本公开可以以许多不同的形式来实现而不脱离本公开的核心精神，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本公开的公开内容的理解更加透彻全面。
[0030]除非本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可用于锂离子电池的凝胶电解质，其特征在于，包括：凝胶聚合物，由聚合物单体和交联剂在有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中、并在反应助剂的存在下发生自由基聚合反应而形成；以及锂盐，所述锂盐通过溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系而存在于所述凝胶聚合物中，其中，所述凝胶电解质在低温下至少具有以下特征：在20℃下的离子电导率不低于2.9
×
10
‑4s/cm，在
‑
20℃下的拉伸断裂率不低于360％，且电化学窗口在(2.2～2.4)至(4.7～5.0)之间。2.如权利要求1所述的凝胶电解质，其特征在于，所述二元溶剂体系中的有机溶剂包括乙二醇、1,5
‑
戊二醇、丙三醇、丙酮、甲醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、碳酸乙烯酯、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2
‑
二甲氧基乙烷中的至少一种。3.如权利要求1所述的凝胶电解质，其特征在于，在所述二元溶剂体系中，有机溶剂与水的体积比为(1～81):9。4.如权利要求1所述的凝胶电解质，其特征在于，所述聚合物单体、所述交联剂、所述反应助剂和所述锂盐溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中形成混合体系，以所述混合体系计，所述聚合物单体在所述混合体系中的含量为9
‑
28wt.％。5.如权利要求4所述的凝胶电解质，其特征在于，所述聚合物单体包括丙烯酰胺、丙烯酸、[2
‑
(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基
‑
(3
‑
磺酸丙基)氢氧化铵、甲基丙烯酰胺和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯中的至少一种。6.如权利要求1所述的凝胶电解质，其特征在于，所述聚合物单体、所述交联剂、所述反应助剂和所述锂盐溶解于所述有机溶剂
‑
水二元溶剂体系中形成混合体系，以所述混合体系计，所述锂盐在所述混合体系中的含量为5～50wt.％。7.如权利要求6所述的凝胶电解质，其特征在于，所述锂盐包括硝酸锂、氯化锂、硫酸锂、双(三氟甲基磺酰)氨基锂、双(五氟乙磺酰基)亚胺锂、LiN(SO2CF3)(SO2C2F5)(LiPTFSI)和三氟甲磺酸锂中的至少一种。8.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：项晓东，卢东冬，林昕，徐晨，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：