CN109301316A - 一种有机-无机复合电解质及其制备方法以及在固体锂离子二次电池中的应用 - Google Patents

一种有机-无机复合电解质及其制备方法以及在固体锂离子二次电池中的应用 Download PDF

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Abstract

一种有机‑无机复合电解质，该复合电解质由中温粘弹转变型聚合物、锂盐和快离子导体陶瓷粉体组成，所述中温粘弹转变型聚合物包括硬单体、含乙氧基的软单体、引发剂以及有机溶剂。优点是：发明制备的有机‑无机复合电解质膜有机与无机相均具导离子能力，提升了室温电导率；本发明制备的有机‑无机复合电解质膜室温下无粘性，易于收卷及与极片多层复合，适于工业化生产。

Description

一种有机-无机复合电解质及其制备方法以及在固体锂离子 二次电池中的应用
技术领域
本发明涉及通讯领域，涉及了一种有机-无机复合电解质，还涉及了一种有机-无机复合电解质的制备方法，尤其涉及一种有机-无机复合电解质在固态锂离子二次电池中的应用。
背景技术
固体电池具有能量密度高，安全性高以及可柔性化等优点而备受关注。采用有机-无机复合固体电解质是制备锂离子固体二次电池的重要方法。目前有机-无机复合固体电解质常用的有机材料主要是聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，但以上各种有机材料均存在一定的缺陷。PEO室温下有的结晶度高，电导率低；PVDF与PMMA本身不具备导离子能力，且常温下为刚性材料与极片的结合较为疏松，极片层间易于滑动，界面阻抗大。
发明内容
本发明的目的是：针对上述不足，本发明提供了一种有机-无机复合电解质及其制备方法以及在固体锂离子二次电池中的应用
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种有机-无机复合电解质，该复合电解质由中温粘弹转变型聚合物、锂盐和快离子导体陶瓷粉体组成，上述各组分的质量份分别为：中温粘弹转变型聚合物：40-60份；锂盐：10-30份；快离子导体陶瓷粉体:30-80份。
所述中温粘弹转变型聚合物包括硬单体、含乙氧基的软单体、引发剂以及有机溶剂，上述各组分的质量份分别为：硬单体20-80份；含乙氧基的软单体20-80份；引发剂0.02-0.2；有机溶剂60-90份。
所述锂盐包含高氯酸锂(LiClO4)，六氟砷酸锂(LiAsF6)，四氟硼酸锂(LiBF4)，六氟磷酸锂(LiPF6)，三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)，双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)，双草酸硼酸锂(LiBOB)其中的一种或者几种。
所述快离子导体陶瓷粉体为锂镧锆氧(LLZO)、锂镧锆钽氧(LLZTO)、锂镧钛氧(LLTO)、其中的一种或者几种。
所述硬单体包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸、丙烯腈、丙烯酰胺、醋酸乙烯酯、苯乙烯、顺丁烯二酸中的一种或几种。
所述含乙氧基的软单体为甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、乙氧基乙氧乙基丙烯酸酯中的一种或几种。
所述有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲乙酮、甲苯、二甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、γ～丁内酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二乙酯中的一种或任意几种组合中的一种或几种。
所述引发剂包括过氧化十二酰、过氧化二苯甲酰、过氧化叔戊酸叔丁酯、异丙苯过氧化氢、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈的一种或几种。
一种有机-无机复合电解质的制备方法，包括如下制备步骤：步骤一：中温粘弹转变型聚合物溶液的制备
将20-80质量份的硬单体、20-80质量份的含乙氧基的软单体、60-90质量份的有机溶剂加入到反应釜中，搅拌均匀，通入非氧惰性气体排出反应釜和物料中的氧气，并保持一定的压力，边搅拌边升温，待反应釜中的物料温度升到60℃时，加入0.05-0.4质量份的引发剂，然后升温到75℃-80℃开始计时反应，反应4-10小时；之后补加0.02-0.2质量份的引发剂继续反应2小时，反应完成后冷却至35℃-45℃，出料备用，粘黏度在2000-20000cps；
步骤二：物料混合
取40-60质量份的中温粘弹转变型聚合物溶液、30-80质量份的快离子导体陶瓷粉体、10-30质量份的锂盐与600-1000质量份的N，N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌至至分散均匀；
步骤三：成膜
将步骤二中得到的分散液浇注在平整的聚四氟乙烯板上，80℃下烘烤24小时，随后将试样置于80℃真空烘箱中干燥24小时以除去剩余溶剂，即得有机/无机复合电解质薄膜。
有机-无机复合电解质在固体锂离子二次电池中的应用，将权利要求9制备而成的有机/无机复合电解质薄膜与常温下与正极、负极通过叠片的方法制得电芯，随后用热压机将电芯在50-100℃、0.1-0.4Mpa压力下热压10-30分钟，冷却后用铝塑膜将电池封装，化成后即得固体锂离子二次电池。
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果是：1、本发明制备的有机-无机复合电解质膜有机与无机相均具导离子能力，提升了室温电导率；2、本发明制备的有机-无机复合电解质膜室温下无粘性，易于收卷及与极片多层复合，适于工业化生产；3、升高温度后电解质膜表现出较高的粘性，可密实的与极片粘附在一起，降低了电解质与极片间界面阻抗，极片被电解质紧固的粘接起来，层间不易滑动，适于制备耐弯折的柔性电池。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种有机-无机复合电解质，该复合电解质由中温粘弹转变型聚合物、锂盐和快离子导体陶瓷粉体组成，上述各组分的质量份分别为：中温粘弹转变型聚合物：60份；锂盐双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)：20份；快离子导体陶瓷粉体锂镧锆氧(LLZO):50份。
所述中温粘弹转变型聚合物包括硬单体、含乙氧基的软单体、引发剂以及有机溶剂，上述各组分的质量份分别为：硬单体甲基丙烯酸甲酯20份；含乙氧基的软单体甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯20份；引发剂过氧化二苯甲酰0.2；有机溶剂乙酸丁酯60份。
一种有机-无机复合电解质的制备方法，包括如下制备步骤：步骤一：中温粘弹转变型聚合物溶液的制备
将20份的甲基丙烯酸甲酯、20份的甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、60份的乙酸丁酯加入到反应釜中，搅拌均匀，通入非氧惰性气体排出反应釜和物料中的氧气，并保持一定的压力，边搅拌边升温，待反应釜中的物料温度升到60℃时，加入0.1质量份的过氧化二苯甲酰，然后升温到75℃开始计时反应，反应6小时；之后补加0.1质量份的过氧化二苯甲酰继续反应2小时，反应完成后冷却至35℃-45℃，出料备用，粘黏度在2000-20000cps；
步骤二：物料混合
取60质量份的中温粘弹转变型聚合物溶液、50质量份的锂镧锆氧(LLZO)、20质量份的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)与800质量份的N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌至至分散均匀；
步骤三：成膜
将步骤二中得到的分散液浇注在平整的聚四氟乙烯板上，80℃下烘烤24小时，随后将试样置于80℃真空烘箱中干燥24小时以除去剩余溶剂，即得有机/无机复合电解质薄膜。
有机-无机复合电解质在固体锂离子二次电池中的应用，将权利要求9制备而成的有机/无机复合电解质薄膜与常温下与正极、负极通过叠片的方法制得电芯，随后用热压机将电芯在60℃、0.2Mpa压力下热压20分钟，冷却后用铝塑膜将电池封装，化成后即得固体锂离子二次电池。
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果是：1、本发明制备的有机-无机复合电解质膜有机与无机相均具导离子能力，提升了室温电导率；2、本发明制备的有机-无机复合电解质膜室温下无粘性，易于收卷及与极片多层复合，适于工业化生产；3、升高温度后电解质膜表现出较高的粘性，可密实的与极片粘附在一起，降低了电解质与极片间界面阻抗，极片被电解质紧固的粘接起来，层间不易滑动，适于制备耐弯折的柔性电池。
实施例二：
一种有机-无机复合电解质，该复合电解质由中温粘弹转变型聚合物、锂盐和快离子导体陶瓷粉体组成，上述各组分的质量份分别为：中温粘弹转变型聚合物：40份；锂盐三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)：20份；快离子导体陶瓷粉体锂镧钛氧(LLTO):80份。
所述中温粘弹转变型聚合物包括硬单体、含乙氧基的软单体、引发剂以及有机溶剂，上述各组分的质量份分别为：硬单体丙烯腈30份；含乙氧基的软单体乙氧基乙氧乙基丙烯酸酯15份；引发剂偶氮二异丁腈0.2；有机溶剂甲苯50份。
一种有机-无机复合电解质的制备方法，包括如下制备步骤：步骤一：中温粘弹转变型聚合物溶液的制备
将30份的丙烯腈、15份的乙氧基乙氧乙基丙烯酸酯、50份的甲苯加入到反应釜中，搅拌均匀，通入非氧惰性气体排出反应釜和物料中的氧气，并保持一定的压力，边搅拌边升温，待反应釜中的物料温度升到60℃时，加入0.1质量份的偶氮二异丁腈，然后升温到75℃开始计时反应，反应6小时；之后补加0.1质量份的偶氮二异丁腈继续反应2小时，反应完成后冷却至35℃-45℃，出料备用，粘黏度在2000-20000cps；
步骤二：物料混合
取40质量份的中温粘弹转变型聚合物溶液、50质量份的锂镧钛氧(LLTO)、20质量份的三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)与800质量份的N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌至至分散均匀；
步骤三：成膜
将步骤二中得到的分散液浇注在平整的聚四氟乙烯板上，80℃下烘烤24小时，随后将试样置于80℃真空烘箱中干燥24小时以除去剩余溶剂，即得有机/无机复合电解质薄膜。
有机-无机复合电解质在固体锂离子二次电池中的应用，将权利要求9制备而成的有机/无机复合电解质薄膜与常温下与正极、负极通过叠片的方法制得电芯，随后用热压机将电芯在80℃、0.4Mpa压力下热压20分钟，冷却后用铝塑膜将电池封装，化成后即得固体锂离子二次电池。
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果是：1、本发明制备的有机-无机复合电解质膜有机与无机相均具导离子能力，提升了室温电导率；2、本发明制备的有机-无机复合电解质膜室温下无粘性，易于收卷及与极片多层复合，适于工业化生产；3、升高温度后电解质膜表现出较高的粘性，可密实的与极片粘附在一起，降低了电解质与极片间界面阻抗，极片被电解质紧固的粘接起来，层间不易滑动，适于制备耐弯折的柔性电池。
实施例三：
一种有机-无机复合电解质，该复合电解质由中温粘弹转变型聚合物、锂盐和快离子导体陶瓷粉体组成，上述各组分的质量份分别为：中温粘弹转变型聚合物：60份；锂盐二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)：20份；快离子导体陶瓷粉体锂镧钛氧(LLTO):40份。
所述中温粘弹转变型聚合物包括硬单体、含乙氧基的软单体、引发剂以及有机溶剂，上述各组分的质量份分别为：硬单体甲基丙烯酸甲酯10份，苯乙烯10份；含乙氧基的软单体乙氧基乙氧乙基丙烯酸酯20份；引发剂过氧化十二酰0.2；有机溶剂甲乙酮60份。
一种有机-无机复合电解质的制备方法，包括如下制备步骤：步骤一：中温粘弹转变型聚合物溶液的制备
将10份的甲基丙烯酸甲酯，10份的苯乙烯、20份的乙氧基乙氧乙基丙烯酸酯、60份的甲乙酮加入到反应釜中，搅拌均匀，通入非氧惰性气体排出反应釜和物料中的氧气，并保持一定的压力，边搅拌边升温，待反应釜中的物料温度升到60℃时，加入0.1质量份的过氧化十二酰，然后升温到75℃开始计时反应，反应6小时；之后补加0.1质量份的过氧化十二酰继续反应2小时，反应完成后冷却至35℃-45℃，出料备用，粘黏度在2000-20000cps；
步骤二：物料混合
取60质量份的中温粘弹转变型聚合物溶液、40质量份的锂镧钛氧(LLTO)、20质量份的二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)与600质量份的N，N-二甲基甲酰胺混合，搅拌至至分散均匀；
步骤三：成膜
将步骤二中得到的分散液浇注在平整的聚四氟乙烯板上，80℃下烘烤24小时，随后将试样置于80℃真空烘箱中干燥24小时以除去剩余溶剂，即得有机/无机复合电解质薄膜。
有机-无机复合电解质在固体锂离子二次电池中的应用，将权利要求9制备而成的有机/无机复合电解质薄膜与常温下与正极、负极通过叠片的方法制得电芯，随后用热压机将电芯在60℃、0.2Mpa压力下热压20分钟，冷却后用铝塑膜将电池封装，化成后即得固体锂离子二次电池。
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果是：1、本发明制备的有机-无机复合电解质膜有机与无机相均具导离子能力，提升了室温电导率；2、本发明制备的有机-无机复合电解质膜室温下无粘性，易于收卷及与极片多层复合，适于工业化生产；3、升高温度后电解质膜表现出较高的粘性，可密实的与极片粘附在一起，降低了电解质与极片间界面阻抗，极片被电解质紧固的粘接起来，层间不易滑动，适于制备耐弯折的柔性电池。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有机-无机复合电解质，其特征在于：该复合电解质由中温粘弹转变型聚合物、锂盐和快离子导体陶瓷粉体组成，上述各组分的质量份分别为：中温粘弹转变型聚合物：40-60份；锂盐：10-30份；快离子导体陶瓷粉体:30-80份。
2.根据权利要求1所述的一种有机-无机复合电解质，其特征在于：所述中温粘弹转变型聚合物包括硬单体、含乙氧基的软单体、引发剂以及有机溶剂，上述各组分的质量份分别为：硬单体20-80份；含乙氧基的软单体20-80份；引发剂0.02-0.2；有机溶剂60-90份。
3.根据权利要求1所述的一种有机-无机复合电解质，其特征为：所述锂盐包含高氯酸锂(LiClO4)，六氟砷酸锂(LiAsF6)，四氟硼酸锂(LiBF4)，六氟磷酸锂(LiPF6)，三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)，双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)，双草酸硼酸锂(LiBOB)其中的一种或者几种。
4.根据权利要求1所述的一种有机-无机复合电解质，其特征为：所述快离子导体陶瓷粉体为锂镧锆氧(LLZO)、锂镧锆钽氧(LLZTO)、锂镧钛氧(LLTO)、其中的一种或者几种。
5.根据权利要求2所述的一种有机-无机复合电解质，其特征为：所述硬单体包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸、丙烯腈、丙烯酰胺、醋酸乙烯酯、苯乙烯、顺丁烯二酸中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的一种有机-无机复合电解质，其特征为：所述含乙氧基的软单体为甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、乙氧基乙氧乙基丙烯酸酯中的一种或几种。
7.根据权利要求2所述的一种有机-无机复合电解质，其特征为：所述有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲乙酮、甲苯、二甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、γ～丁内酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二乙酯中的一种或任意几种组合中的一种或几种。
8.根据权利要求2所述的一种有机-无机复合电解质，其特征为：所述引发剂包括过氧化十二酰、过氧化二苯甲酰、过氧化叔戊酸叔丁酯、异丙苯过氧化氢、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈的一种或几种。
9.一种有机-无机复合电解质的制备方法，其特征在于：包括如下制备步骤：步骤一：中温粘弹转变型聚合物溶液的制备
将20-80质量份的硬单体、20-80质量份的含乙氧基的软单体、60-90质量份的有机溶剂加入到反应釜中，搅拌均匀，通入非氧惰性气体排出反应釜和物料中的氧气，并保持一定的压力，边搅拌边升温，待反应釜中的物料温度升到60℃时，加入0.05-0.4质量份的引发剂，然后升温到75℃-80℃开始计时反应，反应4-10小时；之后补加0.02-0.2质量份的引发剂继续反应2小时，反应完成后冷却至35℃-45℃，出料备用，粘黏度在2000-20000cps；
步骤二：物料混合
取40-60质量份的中温粘弹转变型聚合物溶液、30-80质量份的快离子导体陶瓷粉体、10-30质量份的锂盐与600-1000质量份的N，N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌至至分散均匀；
步骤三：成膜
将步骤二中得到的分散液浇注在平整的聚四氟乙烯板上，80℃下烘烤24小时，随后将试样置于80℃真空烘箱中干燥24小时以除去剩余溶剂，即得有机/无机复合电解质薄膜。
10.有机-无机复合电解质在固体锂离子二次电池中的应用，其特征在于：将权利要求9制备而成的有机/无机复合电解质薄膜与常温下与正极、负极通过叠片的方法制得电芯，随后用热压机将电芯在50-100℃、0.1-0.4Mpa压力下热压10-30分钟，冷却后用铝塑膜将电池封装，化成后即得固体锂离子二次电池。
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