一种耐低温凝胶聚合物电解质及应用该凝胶聚合物电解质的锂离子电池

本发明属于锂离子电池，具体涉及到一种凝胶聚合物电解质及应用该凝胶聚合物电解质的锂离子电池。

背景技术：

1、锂离子电池是目前应用最为广泛的电化学储能器件，已经大规模应用于3c数码电子设备、新能源汽车、储能基站、航天及军事装备等领域。在商品化的二次电池中，锂离子电池具有最高的体积比能量和质量比能量，无记忆效应，无污染，但能量密度较低。为了提高电池的能量密度，研究者们开发了许多新型的电极材料，如以镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂作为正极材料的三元电池，但在提高电池能量密度和正极电压的同时也对电池的安全性造成了很大的不利影响。加之锂离子电池所用有机电解液碳酸脂溶剂的闪点低，具有可燃性以及泄露的风险，造成电池在安全性上存在严重不足。

2、因此，国内外学者提出了多种方法以提高锂离子电池的安全性能，如在有机电解液中加入阻燃添加剂和使用离子液体等，但这些方法在提升安全性的同时又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。因此，开发一种兼具优异安全性能和电化学性能的电解质成为了研究热点。

3、相比于有机电解液组成的电池在提高电池能量密度的同时牺牲其安全性，固态电解质有望同时提高电池的安全性能和能量密度。其中，固态聚合物电解质具有良好的柔性，且具有界面接触优良、易于制造、成本低和安全性高的特点而受到广泛关注。而固态聚合物电解质分为凝胶聚合物电解质和全固态聚合物电解质，全固态电解质的热力学稳定性和电化学稳定性要比凝胶聚合物电解质高，但是其离子电导率只有10-5-10-4s/m，很难达到10-3s/m的使用要求，所以在实际应用中往往不能达到电池的放电要求。

4、而凝胶聚合物电解质在提高有机电解液安全性能的同时其离子电导率也能保持在10-4-10-3s/m，这是因为凝胶聚合物电解质是通过向全固态电解质中加入增塑剂或电解液所形成的，溶剂或电解液能被聚合物基体吸收，避免泄露的风险，同时碱金属盐可以在溶剂微区里运动，提高了离子传输速率。由此可知凝胶聚合物电解质结合了全固态聚合物电解质和有机电解液的优点，是最有可能成为下一代商用锂离子电池的电解质。

5、但是，目前常规的凝胶聚合物电解质制备的电池却也很难达到液态电解质的电化学性能水平，主要原因在于凝胶聚合物电解质与电极兼容性差，且锂离子与聚合物骨架之间的强相互作用导致的锂离子传输缓慢，这也极大影响了其在低温工况下的应用。因此，提供一种电化学性能优异、低温可运行的凝胶聚合物电解质对未来锂离子电池的发展具有重要意义。

6、目前改性凝胶聚合物电解质的方法分为两种，一是通过共聚、交联、接枝、有机-无机杂化和引入三维网络等方法调控固态电解质骨架结构以优化锂离子传输路径；二是通过调控碱金属盐、溶剂、添加剂的搭配来改性增塑剂或电解液与聚合物骨架的作用方式，提高电极与固态电解质的浸润性。两种方式都可以提高锂离子在骨架中的传输速率，提高降低电极/电解质界面传输位阻。然而，这两种方法是相对独立的步骤，在实际操作时较为繁琐，且这种单独制备的固态电解质厚度大多超过100μm，无法满足实际高能量密度器件的要求。此外，非原位制备方法会导致差的电极/电解质界面兼容性和低离子导电性，并且与现有的电池生产线不匹配，不利于进一步扩大生。因此，采用原位聚合的方式制备凝胶聚合物电解质是一种更为优异的方法。然而，需要注意的是，在制备原位聚合的凝胶聚合物电解质的过程中，有机溶剂与聚合物骨架间的相互作用往往会影响聚合物最终的状态，即非流动态和流动态，因此，调节两者之间的相互作用，并兼顾电解质动力学特性和热力学稳定性，是获得电化学性能优异、低温可运行的凝胶聚合物电解质的关键。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种耐低温凝胶聚合物电解质。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

5、锂盐，聚合物单体，有机溶剂，摩尔比为1:5～7:5～7；

6、其中，所述聚合物单体为1,3-二氧戊环，所述有机溶剂包括碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、二乙二醇二甲醚中的一种。

7、作为本发明所述耐低温凝胶聚合物电解质的一种优选方案，其中：所述凝胶聚合物电解质还包括添加剂，添加量为凝胶聚合物电解质的0～6％。

8、作为本发明所述耐低温凝胶聚合物电解质的一种优选方案，其中：所述添加剂包括碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯中的一种或多种。

9、作为本发明所述耐低温凝胶聚合物电解质的一种优选方案，其中：所述锂盐为六氟磷酸锂。

10、本发明的目的是，提供一种耐低温凝胶聚合物电解质的制备方法。

11、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

12、锂盐，聚合物单体以及有机溶剂混合得到电解液，向其中加入引发剂，搅拌反应，即得到耐低温的凝胶聚合物电解质；还包括，

13、锂盐，聚合物单体、有机溶剂以及添加剂混合得到电解液，向其中加入引发剂，搅拌反应，即得到耐低温的凝胶聚合物电解质。

14、作为本发明所述耐低温凝胶聚合物电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述引发剂包括三(五氟苯基)硼烷、三氟化硼中的一种，添加量为0.1～2.8mg/ml电解液。

15、作为本发明所述耐低温凝胶聚合物电解质的制备方法的一种优选方案，其中：所述搅拌反应的反应时间为1～5min。

16、本发明的再一目的是，提供一种锂离子电池。

17、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，正极、锂对电极、聚丙烯隔膜，以及耐低温凝胶聚合物电解质。

18、作为本发明所述锂离子电池的一种优选方案，其中：所述正极的材料为含镍钴锰酸锂的三元正极材料。

19、本发明有益效果：

20、(1)本发明提供了一种pdol基凝胶聚合物电解质，通过优选有机溶剂形成了非流动态的凝胶电解质，相较于未改性的pdol基凝胶聚合物电解质具有更加优异的循环稳定性以及低温性能。

21、(2)本发明从分子间相互作用的角度去设计非流动相的凝胶电解质，通过添加剂与电解质其他组分之间的相互作用去调节电解质的动力学特性和热力学稳定性，得到的电解质可以在电池内部实现室温自聚合，大大降低了电极/电解质的界面阻抗，更有利于锂离子的迁移，明显提高了电池的低温性能。

技术特征：

1.一种耐低温凝胶聚合物电解质，其特征在于：包括，

2.如权利要求1所述的耐低温凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述凝胶聚合物电解质还包括添加剂，添加量为凝胶聚合物电解质的0～6％。

3.如权利要求2所述的耐低温凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述添加剂包括碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的耐低温凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述锂盐为六氟磷酸锂。

5.如权利要求1～4任一所述的耐低温凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于：包括，

6.如权利要求5所述的耐低温凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于：还包括，

7.如权利要求5或6任一所述的耐低温凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于：所述引发剂包括三(五氟苯基)硼烷、三氟化硼中的一种，添加量为0.1～2.8mg/ml电解液。

8.如权利要求5或6任一所述的耐低温凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于:所述搅拌反应的反应时间为1～5min。

9.一种锂离子电池，其特征在于：包括，正极、锂对电极、聚丙烯隔膜，以及权利要求1所述的耐低温凝胶聚合物电解质。

10.如权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极的材料为含镍钴锰酸锂的三元正极材料。

技术总结
本发明公开了一种凝胶聚合物电解质及应用该凝胶聚合物电解质的锂离子电池，所述电解质包括聚合物单体、有机溶剂、锂盐、添加剂。本发明可以改善固态电解质与电极界面兼容性差的问题，从而提高锂离子电池循环性能。且本发明的凝胶聚合物电解质可以显著提高锂离子电池的低温性能，拓宽了搭载凝胶聚合物电解质的锂离子电池在低温工况下的应用。

技术研发人员：明军,赵飞,马征,李茜
受保护的技术使用者：中国科学院长春应用化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8