一种基于两性离子的低温固态电解质及应用

本发明属于锂离子电池，具体涉及一种基于两性离子的低温固态电解质及应用。

背景技术：

1、随着锂离子电池在新能源动力领域应用的不断扩大，其需求量也在大幅度增加，但是近年来不断出现的手机电池爆炸事故，电动汽车起火事故及锂电池企业起火事故，使得人们对电动汽车的安全性产生质疑，安全问题是限制新能源产业的首要问题。

2、目前锂离子电池应用中，采用固态电解质取代液态电解质可以有效防止泄露、易燃、爆炸等一系列安全问题，然而固态电池存在着在低温下通常无法正常运行和枝晶刺穿等问题，进而对固态电池的安全性能和商业用途产生巨大的影响。

3、例如，doi号为10.1038/s41467-023-35857-x的英文文章，解释了下低温性能差的主要原因，这是由于电解质中离子输运和电解质/电极界面电荷转移动力学不足。doi号为10.1039/d3qm00662j的英文综述，解释了固态电解质在低温下差的主要原因，低温下聚合物结晶度高离子在其中难以转移，低温下严重抑制了锂离子的传输，导致离子电导率低于1×10-4s cm-2。并且低温下枝晶会更容易生长，刺穿隔膜导致固态电解质循环性能差。

4、另外，申请公布号为cn111490287a的发明专利，公开了固态电解质、固态电池及其制备方法，其在室温下具有相当优秀的循环性能，但其电解质的阻抗很高，这使得其在低温下的离子电导率可能无法满足应用需求。

5、因此，亟需开发一种用于磷酸铁锂电池的低温固态电解质，从而解决锂离子固态电池低温下难以长时间运行的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是：克服现有技术中存在的问题，提供一种基于两性离子的低温固态电解质及应用，该固态电解质可以在锂负极表面形成稳定、致密的sei膜，抑制副反应的发生，保证材料结构不受破坏，大大改善了磷酸铁锂电池的低温循环性能。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于两性离子的低温固态电解质，所述固态电解质由复合锂盐、反应单体、有机溶剂和引发剂均匀混合后滴加在隔膜骨架上通过光引发聚合制成；

3、所述反应单体为：两性离子单体3-(1-乙烯基-3-咪唑)丙磺酸盐、含氟化烷基侧链的酯类单体和交联单体的三种单体组合物，或两性离子单体3-(1-乙烯基-3-咪唑)丙磺酸盐和交联单体的两种单体组合物；

4、所述反应单体为三种单体组合物其质量比为0.1~1:1~4:1~4，反应单体为两种单体组合物其质量比为0.1~1:1~4。

5、所述反应单体中含氟化烷基侧链的酯类单体和交联单体的质量均大于或等于两性离子单体3-(1-乙烯基-3-咪唑)丙磺酸盐的质量。

6、所述复合锂盐为六氟磷酸锂与双草酸硼酸锂、双二氟磺酰亚胺锂、双氟草酸硼酸锂中一种的组合物；所述复合锂盐在固态电解质中的浓度为0.8~2.5mol/l。

7、所述含氟化烷基侧链的酯类单体为丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸十三氟辛中的一种。

8、所述交联单体为二丙二醇二丙烯酸酯、三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯中的一种。

9、所述有机溶剂为碳酸甲丙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、丁酸甲酯、丙酸乙酯、氟代碳酸乙烯酯和2-甲基四氢呋喃中的一种或多种。

10、所述有机溶剂为一种氟代碳酸乙烯酯时，有机溶剂的质量为低温固态电解质总质量的0.5%~10%。

11、所述引发剂为（2,4,6-三甲基苯甲酰基）二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸乙酯、1-羟环己基丙酮、2-羟基-2-甲基苯丙酮、2-羟基-2-甲基苯丙酮中的一种或多种。

12、所述低温固态电解质的光引发聚合过程是通过365~405波段紫外灯照射。

13、一种基于两性离子的低温固态电解质在磷酸铁锂电池中的应用，所述磷酸铁锂电池低温运行的温度范围为-20~25℃。

14、本发明的有益效果是：本发明的锂离子电池固态电解质在低温-10℃下，能够循环超过250小时，通过扫描图可以看出，该固态电解质可以在锂负极表面形成稳定、致密的sei膜，抑制副反应的发生，保证材料结构不受破坏，大大改善了磷酸铁锂电池的低温循环性能。

技术特征：

1.一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述固态电解质由复合锂盐、反应单体、有机溶剂和引发剂均匀混合后滴加在隔膜骨架上通过光引发聚合制成；

2.根据权利要求1所述的一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述反应单体中含氟化烷基侧链的酯类单体和交联单体的质量均大于或等于两性离子单体3-(1-乙烯基-3-咪唑)丙磺酸盐的质量。

3.根据权利要求1所述的一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述复合锂盐为六氟磷酸锂与双草酸硼酸锂、双二氟磺酰亚胺锂、双氟草酸硼酸锂中一种的组合物；所述复合锂盐在固态电解质中的浓度为0.8~2.5mol/l。

4.根据权利要求1所述的一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述含氟化烷基侧链的酯类单体为丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸十三氟辛中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述交联单体为二丙二醇二丙烯酸酯、三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述有机溶剂为碳酸甲丙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、丁酸甲酯、丙酸乙酯、氟代碳酸乙烯酯和2-甲基四氢呋喃中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述有机溶剂为一种氟代碳酸乙烯酯时，有机溶剂的质量为低温固态电解质总质量的0.5%~10%。

8.根据权利要求1所述的一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述引发剂为（2,4,6-三甲基苯甲酰基）二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸乙酯、1-羟环己基丙酮、2-羟基-2-甲基苯丙酮、2-羟基-2-甲基苯丙酮中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的一种基于两性离子的低温固态电解质，其特征在于：所述低温固态电解质的光引发聚合过程是通过365~405波段紫外灯照射。

10.根据权利要求1~9中任一所述的一种基于两性离子的低温固态电解质在磷酸铁锂电池中的应用，其特征在于：所述磷酸铁锂电池低温运行的温度范围为-20~25℃。

技术总结
本发明公开了一种基于两性离子的低温固态电解质及应用，属于锂离子电池技术领域；所述固态电解质由复合锂盐、反应单体、有机溶剂和引发剂均匀混合后滴加在隔膜骨架上通过光引发聚合制成；所述反应单体为：两性离子单体3‑(1‑乙烯基‑3‑咪唑)丙磺酸盐、含氟化烷基侧链的酯类单体和交联单体的三种单体组合物，或两性离子单体3‑(1‑乙烯基‑3‑咪唑)丙磺酸盐和交联单体的两种单体组合物。本发明的锂离子电池固态电解质在低温‑10℃下，能够循环超过250小时，通过扫描图可以看出，该固态电解质可以在锂负极表面形成稳定、致密的SEI膜，抑制副反应的发生，保证材料结构不受破坏，大大改善了磷酸铁锂电池的低温循环性能。

技术研发人员：陈仕谋,姚志成,万爽,马维廷
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15