一种凝胶电芯及其制备方法和应用与流程

本发明涉及二次电池，具体而言，涉及一种凝胶电芯及其制备方法和应用。

背景技术：

1、锂离子电池由于其高能量密度、低自放电率和长循环寿命等优点，在生活中得到了广泛应用。近些年人们对于更环保更绿色的出行方式的追求，新能源电动汽车发展迅速，同时也对高能量密度与高功率密度的锂电池提出了更高要求。然而，传统锂电池使用易挥发、易泄露的有机电解液，发生碰撞等意外时存在燃烧甚至爆炸的安全隐患。不稳定的电极与电解质的界面会导致界面副反应加剧、界面层加厚、界面阻抗增加，进而导致电化学性能持续衰减。活泼及剧烈膨胀的负极会导致电解液在界面持续分解，消耗了电解液及活性锂离子，使得界面膜层sei不断增厚，这使得电池内阻持续增大以及可逆容量的降低。此外，石墨、锂金属作为负极或无负极的锂电池在循环过程中可能形成锂枝晶及死锂，不仅损害锂电池的电化学性能，而且带来了巨大的安全隐患。

2、聚合物固态电解质具有不挥发、不泄露等优点，能够有效解决液态电解质高流动性、易泄露等安全隐患。然而，聚合物电解质依赖于锂离子在聚合物链间传递，受到聚合物本征链柔性的影响，室温离子电导率较低，商业化应用困难。结合聚合物固态电解质及液态电解液的优点，聚合物凝胶电解质能够保证离子传导性能的基础上，减少电解液的泄露和挥发，提升了电池的安全性。如果采用原位聚合方法，则能够进一步降低界面传递阻抗；但是，原位聚合通常需要苛刻的引发条件或添加有毒引发剂，有待进一步开发简单有效、无毒安全的引发方法。

3、现有技术中还可以通过向电解质中加入添加剂，增强了电解液与负极的界面稳定性，减少了电解液的分解并提升了电池的库伦效率；同时通过均衡负极表面锂沉积与剥离过程，促进锂离子在电解液和负极表面的迁移扩散，减少甚至抑制析锂过程，提升锂电池的循环稳定性及安全性。虽然电解质中锂盐添加剂种类多样，但形成的sei膜层缺乏弹性，不能适应负极在循环过程中体积膨胀及收缩，仍会导致电芯电化学性能的衰减。

4、综上，开发更简单方法构建凝胶聚合物电解质及稳定的且富有弹性的sei膜层对于延长电芯寿命、提升电芯安全性具有重要意义。有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种凝胶电芯，一方面用于解决原位聚合法制备凝胶电解质时引入有毒引发剂的缺陷，另一方面用于解决常规电解液添加剂所形成的sei膜刚性大，无法适应电池循环中的体积变化的缺陷；此外，在针对电芯负极界面稳定性差、电极表面副反应严重、离子沉积不均匀以及液态电解液泄露或挥发等电化学性能方面的技术问题上均有良好的表现。

2、本发明的第二目的在于提供一种所述的凝胶电芯的制备方法，该方法简单易行、无毒安全；不饱和双键单体和交联剂在负极引发下进行原位阴离子聚合，不需要添加额外有毒有害的引发剂，简化了凝胶电芯的制备方法，能够满足批量化生产需求。

3、本发明的第三目的在于提供一种二次电池，在解决上述技术问题的前提下具有良好电化学性能和使用寿命。

4、本发明的第四目的在于提供一种用电设备，与所述的凝胶电芯和所述的二次电池具有一致的技术优势。

5、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

6、一种凝胶电芯，包括正极、负极和凝胶聚合物电解质，所述凝胶聚合物电解质包括聚合物和电解液；

7、其中，所述聚合物是缺电子双键单体和交联剂在所述负极的表面经原位聚合制得；

8、所述缺电子双键单体包括如结构(ⅰ)所示的化合物：

9、x包括三氟甲基、氰基、氟原子、氯原子或溴原子中的一种，r包括氢原子或cxhy，x为1～5中的任一整数，y＝2x+1。

10、一种所述的凝胶电芯的制备方法，包括如下步骤：

11、配置包含缺电子双键单体、交联剂和电解液的混合液，将所述混合液注入至包含正极和负极的干电芯中，进行封装、静置后，得到凝胶电芯。

12、一种二次电池，包括所述的凝胶电芯。

13、一种用电设备，包括所述的凝胶电芯。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

15、(1)本发明提供的凝胶电芯通过缺电子双键单体在负极表面引发阴离子聚合，经聚合得到的聚合物形成的负极表面膜层能够保护负极界面，避免电解液在负极表面分解，同时辅助形成稳定的内层无机sei层，促进锂离子均匀沉积，提升电芯倍率性能。同时，阴离子聚合由负极向正极进行，聚合物进一步与电解液结合形成凝胶聚合物电解质，将电解液固定在聚合物网络中，减少电解液界面移动，降低界面副反应，延长电芯使用寿命；以及，凝胶态的聚合物电解质还能降低电解液的泄露和挥发，提升了电芯的安全性。

16、(2)本发明提供的凝胶电芯的制备方法通过原位阴离子聚合的方式，能够增加电解质与电极的界面接触，降低界面接触阻抗，加快离子在界面处的传递，提升电芯倍率性能，室温2c电流密度下，容量保持率提升5.9％。同时，通过原位阴离子聚合在负极表面形成柔性的聚合物膜层能够适应负极循环过程中的巨大体积膨胀，保证负极界面sei层的完整性，减少界面副反应，提升电芯循环稳定性，200圈循环容量保持率最高达到96％，提升了11.8％。

技术特征：

1.一种凝胶电芯，其特征在于，所述凝胶电芯包括正极、负极和凝胶聚合物电解质，所述凝胶聚合物电解质包括聚合物和电解液；

2.根据权利要求1所述的凝胶电芯，其特征在于，所述交联剂包括如结构(ⅱ)所示的化合物：

3.根据权利要求1所述的凝胶电芯，其特征在于，所述负极包括金属负极、或是或金属-碳材料负极中的一种。

4.根据权利要求1所述的凝胶电芯，其特征在于，所述缺电子双键单体包括2-氰基丙烯酸甲酯、2-氰基丙烯酸乙酯、2-氰基丙烯酸丁酯、2-(三氟甲基)丙烯酸甲酯、2-(三氟甲基)丙烯酸、2-氟丙烯酸或2-氟丙烯酸甲酯、2-氯丙烯酸、2-氯丙烯酸甲酯、2-溴丙烯酸或2-溴丙烯酸甲酯中的至少一种。

5.如权利要求1～4任一项所述的凝胶电芯的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的凝胶电芯的制备方法，其特征在于，所述缺电子双键单体和所述交联剂的质量比为(70～97)：(3～30)。

7.根据权利要求5所述的凝胶电芯的制备方法，其特征在于，所述缺电子双键单体和所述交联剂的质量之和与所述电解液的质量之比为2％～50％。

8.根据权利要求5所述的凝胶电芯的制备方法，其特征在于，所述混合液的配制在惰性气体气氛中进行；和/或，所述制备方法在干燥气氛中进行。

9.一种二次电池，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述的凝胶电芯。

10.一种用电设备，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述的凝胶电芯。

技术总结
本发明提供了一种凝胶电芯及其制备方法和应用，涉及二次电池技术领域。具体而言，凝胶电芯包括正极、负极和凝胶聚合物电解质，凝胶聚合物电解质又包括聚合物和电解液；其中，聚合物是缺电子双键单体和交联剂在所述负极的表面经原位聚合制得，且缺电子双键单体是含有特定官能团的丙烯酸酯类化合物。本发明通过原位阴离子聚合反应在负极表面形成聚合物保护层，聚合物进一步与负极反应形成稳定的无机SEI膜层，从而提高电解质与负极的界面稳定性的同时提高电池倍率性能；凝胶聚合物电解质所形成的凝胶网络将电解液固定在聚合物网络中，降低界面副反应，延长电芯使用寿命，具有良好的应用前景。

技术研发人员：张永,高天一,计结胜,姜涛,黄平慧,张笑鸣,吴媛,冯嘉男
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/2