本發(fā)明涉及鋰金屬電池，尤其涉及一種阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著便攜式電子設(shè)備的日益普及和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，以鋰電池為代表的儲(chǔ)能設(shè)備得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。其中，金屬鋰為負(fù)極的鋰電池，由于搞理論容量和低氧化還原電位，被認(rèn)為是下一代高能量密度電池體系中最有前途的負(fù)極材料。然而，目前商用液體電解液面臨泄露和燃燒等安全隱患以及電池循環(huán)壽命短等性能差的問題。這些挑戰(zhàn)阻礙了鋰金屬電池的進(jìn)一步發(fā)展，而采用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液有望從根本上解決安全問題。

2、作為鋰離子電池用聚合物固態(tài)電解質(zhì)，為提高聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，通常選用與液態(tài)電解液具有優(yōu)異親和性和良好化學(xué)穩(wěn)定性的聚合物，作為凝膠聚合物電解質(zhì)的基質(zhì)材料。半固態(tài)電池可以有效降低電池中液態(tài)電解液的使用量，在提升電池的能量密度的同時(shí)，也將液態(tài)電解液可能引發(fā)的安全隱患同步降低。另外，半固態(tài)凝膠電解質(zhì)在一定程度上可以有效抑制負(fù)極結(jié)構(gòu)的改變和金屬枝晶的生長(zhǎng)，在提升比能量的同時(shí)可以較大程度地提高電池的安全性。然而，現(xiàn)有半固態(tài)凝膠電解質(zhì)往往存在結(jié)合后電池阻抗較高，性能損失較大等不足。因此，目前的策略不足以實(shí)現(xiàn)兼具高離子導(dǎo)電性和高界面兼容性的阻燃液態(tài)電解液或凝膠電解質(zhì)。

3、因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池及其制備方法，旨在解決現(xiàn)有凝膠電解質(zhì)存在易燃、離子電導(dǎo)率低和界面相容性差的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，包括正極片、負(fù)極片、隔膜和凝膠電解質(zhì)，所述凝膠電解質(zhì)主要由液體電解液、聚合單體、交聯(lián)劑、阻燃劑和引發(fā)劑混合后經(jīng)原位聚合形成。

4、所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其中，所述聚合單體由含碳酸酯基聚合單體和含氟的聚合單體組成。

5、所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其中，所述含碳酸酯基聚合單體選自碳酸亞乙烯酯、季戊四醇四丙烯酸酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、乙酰乙酸烯丙酯、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸甲酯、氰基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸羥丙酯、聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯中的一種或多種；和/或，所述含氟的聚合單體選自八氟-1,6-己二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸六氟丁酯、全氟辛基乙基丙烯酸酯、六氟異丙基丙烯酸酯、丙烯酸八氟戊酯、四氟丙基甲基丙烯酸酯中的一種或多種。

6、所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其中，所述聚合單體的含量為所述聚合物單體和所述液體電解液總量的10wt％-50wt％，所述交聯(lián)劑的含量為所述聚合單體的5wt％-20wt％，所述阻燃劑的含量為所述聚合單體的1wt％-10wt％，所述引發(fā)劑的含量為所述聚合單體的0.1wt％-1wt％。

7、所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其中，所述液體電解液包括碳酸酯類電解液、醚類電解液中的一種；所述液體電解液中含有鋰鹽；所述鋰鹽選自六氟磷酸鋰、雙氟磺酰亞胺鋰、雙三氟甲磺酰亞胺鋰、三氟甲基磺酸鋰、四氟硼酸鋰、雙草酸硼酸鋰、二氟草酸硼酸鋰、二氟雙草酸磷酸鋰中的一種或多種。

8、所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其中，所述交聯(lián)劑選自具有醚氧鍵的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、具有醚氧鍵的聚丁二醇二丙烯酸酯、具有醚氧鍵的乙二醇二丙烯酸酯、具有醚氧鍵的聚丙二醇縮水甘油醚中的一種或多種。

9、所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其中，所述阻燃劑選自磷系9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物、磷酸三(2,3-二溴丙基)酯、磷酸三(一氯丙)酯、磷酸三苯酯、間苯二酚雙(二苯基磷酸酯)、磷酸三乙酯的一種或多種。

10、所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其中，所述引發(fā)劑選自過氧化苯甲酰、偶氮二異丁腈、偶氮二異庚腈、偶氮二異丁酸二甲酯、偶氮二甲戊腈的一種或多種。

11、一種阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池的制備方法，包括步驟：

12、將液體電解液、聚合單體、交聯(lián)劑、阻燃劑和引發(fā)劑進(jìn)行混合，得到電解質(zhì)前驅(qū)體反應(yīng)溶液；

13、將正極片、隔膜和負(fù)極片組裝成電池組并注入所述電解質(zhì)前驅(qū)體反應(yīng)溶液，經(jīng)凝膠反應(yīng)，得到阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池。

14、所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池的制備方法，其中，所述凝膠反應(yīng)的溫度為50℃-60℃，所述凝膠反應(yīng)的時(shí)間為10h-24h。

15、有益效果：本發(fā)明提供一種阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池及其制備方法，阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池包括正極片、負(fù)極片、隔膜和凝膠電解質(zhì)，所述凝膠電解質(zhì)主要由液體電解液、聚合單體、交聯(lián)劑、阻燃劑和引發(fā)劑混合后經(jīng)原位聚合形成。本發(fā)明將聚合單體與交聯(lián)劑進(jìn)行熱引發(fā)的原位自由基聚合反應(yīng)，通過交聯(lián)分子鏈形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且聚合物中充滿液態(tài)電解液和阻燃劑，獲得具有阻燃效果的凝膠電解質(zhì)，應(yīng)用于鋰金屬電池中，可以增強(qiáng)電解質(zhì)與正/負(fù)極間界面穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，利用聚合單體可以調(diào)整改善凝膠電解質(zhì)的力學(xué)性能，有利于改善電池中的固-固接觸界面；并且，通過組分的優(yōu)化，可提升凝膠電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)性，有助于鋰離子的快速傳輸。

技術(shù)特征：

1.一種阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，包括正極片、負(fù)極片、隔膜和凝膠電解質(zhì)，其特征在于，所述凝膠電解質(zhì)主要由液體電解液、聚合單體、交聯(lián)劑、阻燃劑和引發(fā)劑混合后經(jīng)原位聚合形成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其特征在于，所述聚合單體由含碳酸酯基聚合單體和含氟的聚合單體組成。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其特征在于，所述含碳酸酯基聚合單體選自碳酸亞乙烯酯、季戊四醇四丙烯酸酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、乙酰乙酸烯丙酯、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸甲酯、氰基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸羥丙酯、聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯中的一種或多種；和/或，所述含氟的聚合單體選自八氟-1,6-己二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸六氟丁酯、全氟辛基乙基丙烯酸酯、六氟異丙基丙烯酸酯、丙烯酸八氟戊酯、四氟丙基甲基丙烯酸酯中的一種或多種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其特征在于，所述聚合單體的含量為所述聚合物單體和所述液體電解液總量的10wt％-50wt％，所述交聯(lián)劑的含量為所述聚合單體的5wt％-20wt％，所述阻燃劑的含量為所述聚合單體的1wt％-10wt％，所述引發(fā)劑的含量為所述聚合單體的0.1wt％-1wt％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其特征在于，所述液體電解液包括碳酸酯類電解液、醚類電解液中的一種；所述液體電解液中含有鋰鹽；所述鋰鹽選自六氟磷酸鋰、雙氟磺酰亞胺鋰、雙三氟甲磺酰亞胺鋰、三氟甲基磺酸鋰、四氟硼酸鋰、雙草酸硼酸鋰、二氟草酸硼酸鋰、二氟雙草酸磷酸鋰中的一種或多種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其特征在于，所述交聯(lián)劑選自具有醚氧鍵的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、具有醚氧鍵的聚丁二醇二丙烯酸酯、具有醚氧鍵的乙二醇二丙烯酸酯、具有醚氧鍵的聚丙二醇縮水甘油醚中的一種或多種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其特征在于，所述阻燃劑選自磷系9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物、磷酸三(2,3-二溴丙基)酯、磷酸三(一氯丙)酯、磷酸三苯酯、間苯二酚雙(二苯基磷酸酯)、磷酸三乙酯的一種或多種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池，其特征在于，所述引發(fā)劑選自過氧化苯甲酰、偶氮二異丁腈、偶氮二異庚腈、偶氮二異丁酸二甲酯、偶氮二甲戊腈的一種或多種。

9.一種如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池的制備方法，其特征在于，包括步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池的制備方法，其特征在于，所述凝膠反應(yīng)的溫度為50℃-60℃，所述凝膠反應(yīng)的時(shí)間為10h-24h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及鋰金屬電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池及其制備方法，阻燃原位聚合凝膠電解質(zhì)電池包括正極片、負(fù)極片、隔膜和凝膠電解質(zhì)，凝膠電解質(zhì)主要由液體電解液、聚合單體、交聯(lián)劑、阻燃劑和引發(fā)劑混合后經(jīng)原位聚合形成。將聚合單體與交聯(lián)劑進(jìn)行熱引發(fā)的原位自由基聚合反應(yīng)，通過交聯(lián)分子鏈形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且聚合物中充滿液態(tài)電解液和阻燃劑，獲得具有阻燃效果的凝膠電解質(zhì)，應(yīng)用于鋰金屬電池中，可以增強(qiáng)電解質(zhì)與正/負(fù)極間界面穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，利用聚合單體可以調(diào)整改善凝膠電解質(zhì)的力學(xué)性能，有利于改善電池中的固?固接觸界面；并且，通過組分的優(yōu)化，可提升凝膠電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)性，有助于鋰離子的快速傳輸。

技術(shù)研發(fā)人員：盧周廣,付雪連,劉銘蔚,楊明陽(yáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南方科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19