一种凝胶电解质、制备方法及锂离子电池

本发明属于电池，具体涉及一种凝胶电解质、制备方法及锂离子电池。

背景技术：

1、新能源汽车、大规模储能、航空航天和国防军事等领域的发展对锂离子电池提出了更高的综合性能要求。在关注锂离子电池能量密度、功率特性的同时，安全性和环境适应性也一直是影响锂离子电池能否广泛有效应用的关键。

2、电解质材料在正负极之间起着运输和传导电子的作用，其性能不仅影响到电极材料性能(如比容量、循环寿命及倍率性能等)的正常发挥，而且对电池的安全性也影响极大。商业化锂离子电池使用的电解液溶剂具有热稳定性低和易燃易爆等不足，易引起锂离子电池的热失控，造成起火甚至爆炸等不良后果。

3、在现有技术中，为了降低以上不良后果的产生，主要通过在有机电解液中加入离子液体等阻燃添加剂，但是这种方式在对于锂离子电池安全性提升的同时却以牺牲电池的电化学性能为代价，且电池安全性的改善程度有限。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种凝胶电解质、制备方法及锂离子电池，在扩宽电解质的工作电压及使用极限温度范围的同时，解决凝胶电解质离子迁移数及离子电导率难以满足商用的技术难题。

2、为了达到上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

3、第一方面，本申请实施例提供了一种凝胶电解质，包括均匀原位插层有二维层状纳米片的聚合物基体以及负载于所述聚合物基体中的离子液体，所述离子液体的溶质包括机电解质锂盐，所述离子液体的溶剂包括碳酸亚乙烯。

4、在可选的实施方式中，所述聚合物基底包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氧化乙烯、聚碳酸丙烯酯中的任意一种。

5、在可选的实施方式中，所述聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的数均分子量为400000，聚氧化乙烯的数均分子量为600000，聚碳酸丙烯酯的数均分子量为50000。

6、在可选的实施方式中，所述二维层状纳米片包括粒径小于100nm，层间距离小于1nm的层状金属双氢氧化物、层状金属双氧化物结构中的任意一种结构。

7、在可选的实施方式中，所述二维层状纳米片的含量以固态电解质膜基底做基准为0.1％-0.5wt％，厚度为50-200um。

8、在可选的实施方式中，所述机电解质锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂，所述碳酸亚乙烯浓度为1mol/l。

9、在可选的实施方式中，所述凝胶电解质的离子电导率大于1.36×10-3s/cm，离子迁移数达到0.83，电化学稳定窗口大于4.8v。

10、第二方面，本申请实施例提供了一种凝胶电解质的制备方法，用于制备上述任一项的凝胶电解质，将所述二维层状纳米片按一定质量分数加入至预制备的聚合物混合溶液中进行超声震荡处理，至二维层状纳米片均匀原位插层至聚合物分子链网格中得到含有二维层状纳米片的混合物，基于液相剥离法获得目标厚度的二维层状原位插层聚合物基底，将聚合物基底置于一定浓度的双三氟甲烷磺酰亚胺锂电解质溶液中进行饱和吸液，直至浸泡前后质量不再发生变化，去表面的溶液进行烘干，获得二维层状纳米片原位插层凝胶电解质。

11、在可选的实施方式中，预制备的聚合物混合溶液通过将干燥除水的聚合物溶于n’n-二甲基甲酰胺与丙三醇混合溶液中升温搅拌至溶解制备获得，所述聚合物包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氧化乙烯、聚碳酸丙烯酯中的任意一种，所述干燥条件为干燥温度为60-80℃，干燥处理时间为1-2小时；所述搅拌温度为50-60℃，搅拌时间为12-15小时。

12、第三方面，本申请实施例提供一种锂离子电池，包括上述任一项所述的凝胶电解质，所述锂离子电池在0.1c下首次充放电大于140mah/g，在0.2c下100次充放电循环后容量保有率大于等于92.4％，充放电效率大于等于96％，不同倍率循环后充电容量大于等于96.5％。

13、本申请实施例提供的技术方案中，通过在聚合物基底中通过原位插层有二维层状纳米片得到一种新的凝胶电解质，利用二维层状纳米片原位扩孔，以及层状双氢氧化物、层状双氧化物的层间离子交换性，通过对凝胶电解质的改进提高凝胶电解质的离子电导率，使凝胶电解质的的电导率达到10-3s/m的使用要求。同时，二维层状纳米片原位插层改性的凝胶电解质能有效的改善电解质与负极的界面相容性，避免由于锂离子沉积形成的枝晶刺穿钝化膜，直接提高凝胶电解质的热力学和电化学稳定性，扩宽电池的工作电压及温度范围。

技术特征：

1.一种凝胶电解质，其特征在于，包括均匀原位插层有二维层状纳米片的聚合物基体以及负载于所述聚合物基体中的离子液体，所述离子液体的溶质包括机电解质锂盐，所述离子液体的溶剂包括碳酸亚乙烯。

2.根据权利要求1所述的凝胶电解质，其特征在于，所述聚合物基底包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氧化乙烯、聚碳酸丙烯酯中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的凝胶电解质，其特征在于，所述聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的数均分子量为400000，聚氧化乙烯的数均分子量为600000，聚碳酸丙烯酯的数均分子量为50000。

4.根据权利要求1所述的凝胶电解质，其特征在于，所述二维层状纳米片包括粒径小于100nm，层间距离小于1nm的层状金属双氢氧化物、层状金属双氧化物结构中的任意一种结构。

5.根据权利要求4所述的凝胶电解质，其特征在于，所述二维层状纳米片的含量以固态电解质膜基底做基准为0.1wt％-0.5wt％，厚度为50-200um。

6.根据权利要求1所述的凝胶电解质，其特征在于，所述有机电解质锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂，所述碳酸亚乙烯浓度为1mol/l。

7.根据权利要求1所述的凝胶电解质，其特征在于，所述凝胶电解质的离子电导率大于1.36×10-3s/cm，离子迁移数达到0.83，电化学稳定窗口大于4.8v。

8.一种凝胶电解质的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1～7中任一项所述的凝胶电解质，将所述二维层状纳米片按一定质量分数加入至预制备的聚合物混合溶液中进行超声震荡处理，至二维层状纳米片均匀原位插层至聚合物分子链网格中得到含有二维层状纳米片的混合物，基于液相剥离法获得目标厚度的二维层状原位插层聚合物基底，将聚合物基底置于一定浓度的双三氟甲烷磺酰亚胺锂电解质溶液中进行饱和吸液，直至浸泡前后质量不再发生变化，去表面的溶液进行烘干，获得二维层状纳米片原位插层凝胶电解质。

9.根据权利要求8所述的凝胶电解质的制备方法，其特征在于，预制备的聚合物混合溶液通过将干燥除水的聚合物溶于n’n-二甲基甲酰胺与丙三醇混合溶液中升温搅拌至溶解制备获得，所述聚合物包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氧化乙烯、聚碳酸丙烯酯中的任意一种，所述干燥条件为干燥温度为60-80℃，干燥处理时间为1-2小时；所述搅拌温度为50-60℃，搅拌时间为12-15小时。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的凝胶电解质，所述锂离子电池在0.1c下首次充放电大于140mah/g，在0.2c下100次充放电循环后容量保有率大于等于92.4％，充放电效率大于等于96％，不同倍率循环后充电容量大于等于96.5％。

技术总结
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种凝胶电解质、制备方法及锂离子电池；包括均匀原位插层有二维层状纳米片的聚合物基体以及负载于所述聚合物基体中的离子液体，所述离子液体的溶质包括机电解质锂盐，所述离子液体的溶剂包括碳酸亚乙烯；本申请实施例提供的技术方案中，通过在聚合物基底中通过原位插层有二维层状纳米片得到一种新的凝胶电解质，通过对凝胶电解质的改进提高凝胶电解质的离子电导率，使凝胶电解质的的电导率达到10<supgt;‑3</supgt;S/m的使用要求，从而避免由于锂离子沉积形成的枝晶刺穿钝化膜，直接提高凝胶电解质的热力学和电化学稳定性，扩宽电池的工作电压及温度范围。

技术研发人员：吕俊,王倩,张叶,朱存彬,吕文晏
受保护的技术使用者：重庆理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12