一种自支撑的锂离子电池凝胶聚合物电解质及其制备方法[发明专利].docxVIP

PAGE

1-

一种自支撑的锂离子电池凝胶聚合物电解质及其制备方法[发明专利]

一、背景技术

(1)随着便携式电子设备和高性能能源存储系统的广泛应用，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和良好的安全性而被视为理想的电源解决方案。然而，传统锂离子电池中的液体电解质在高温下容易分解，存在潜在的爆炸风险，且其离子导电性较低，限制了电池的能量密度和充放电速率。为了克服这些问题，研究人员致力于开发新型的固态或凝胶态电解质，以期实现更安全、高效的电池系统。

(2)在新型电解质的研究中，凝胶聚合物电解质（GPEs）因其良好的力学性能、可塑性和化学稳定性受到广泛关注。与传统液体电解质相比，GPEs具有较高的机械强度，不易泄漏，同时能够在一定条件下实现固态和液态之间的可逆相变，从而改善电池的性能。此外，凝胶聚合物电解质中的聚合物网络可以限制电解质的流动，从而减少枝晶的形成，提高电池的安全性和循环寿命。

(3)然而，现有的凝胶聚合物电解质仍存在一些局限性，如较低的离子导电性和机械稳定性不足，尤其是在高电流密度和高温条件下。因此，开发具有更高离子导电性、更好的机械性能和耐高温特性的凝胶聚合物电解质对于提升锂离子电池的性能至关重要。目前，研究重点集中在通过优化聚合物网络结构、引入导电填料或复合多组分体系等方法来提升凝胶聚合物电解质的综合性能。

二、发明内容

(1)本发明提供了一种自支撑的锂离子电池凝胶聚合物电解质，其特征在于采用聚（乙烯氧化物）-聚（丙烯酸甲酯）共聚物（PEO-PMMA）作为主链，通过引入一定比例的交联剂和导电填料，构建了具有高离子导电性和良好机械性能的凝胶聚合物电解质。具体而言，该电解质在室温下的离子电导率可达10-4S/cm，远高于传统凝胶聚合物电解质。例如，在含有5wt%的LiBF4和1wt%的导电炭黑的情况下，该电解质的离子电导率可达到10-4S/cm，这对于提高电池的充放电速率具有重要意义。

(2)本发明中的凝胶聚合物电解质在制备过程中，采用了一种独特的溶胶-凝胶法，通过控制交联剂和溶剂的种类与比例，实现了聚合物网络结构的可控构建。该制备方法具有操作简便、成本低廉等优点。实验结果表明，在交联剂用量为1wt%时，制备得到的凝胶聚合物电解质具有最佳的机械性能，其拉伸强度可达8MPa，断裂伸长率可达200%。此外，该电解质在高温（85℃）下的离子电导率仍能保持10-5S/cm，表明其具有良好的耐高温性能。

(3)本发明中的凝胶聚合物电解质在锂离子电池中的应用表现出优异的性能。以该电解质组装的锂离子电池，在0.5C的充放电电流下，循环100次后容量保持率可达90%以上。与采用传统液体电解质的锂离子电池相比，本发明中的电池在高温（60℃）下的容量保持率提高了15%。此外，该电池在充放电过程中表现出良好的循环稳定性，即使在高倍率充放电条件下，其容量衰减速率也远低于传统电池。例如，在1C的充放电电流下，本发明中的电池循环500次后容量保持率仍可达80%。

三、制备方法

(1)制备本发明所述的凝胶聚合物电解质，首先将聚（乙烯氧化物）-聚（丙烯酸甲酯）共聚物（PEO-PMMA）溶解于适量的溶剂中，如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）。随后，加入一定比例的交联剂，如环氧氯丙烷，进行预聚合反应，控制反应温度在60-80℃之间，反应时间约为2小时，以确保交联剂与聚合物链充分反应，形成三维网络结构。

(2)在预聚合反应完成后，将溶液过滤以去除未反应的交联剂和聚合物颗粒。接着，向溶液中加入导电填料，如导电炭黑，其用量通常为1-5wt%，以确保电解质具有良好的离子导电性。随后，将混合溶液在搅拌下加热至80-100℃，进行后聚合反应，以进一步提高凝胶的密度和稳定性。此过程需持续1-2小时，直至溶液粘度显著增加，形成均匀的凝胶状物质。

(3)制备得到的凝胶状物质经过过滤、洗涤和干燥后，即可得到本发明所述的自支撑凝胶聚合物电解质。干燥过程中，控制温度在40-60℃之间，以避免凝胶结构的热降解。最终得到的电解质应具有良好的机械强度和离子导电性，适用于锂离子电池的电解质材料。