一种锂电池隔膜制备方法以及锂电池

摘要

本发明公开了一种锂电池电解质薄膜制备方法，该锂电池电解质薄膜制备方法工艺简单，容易制备，适合大量生产，且通过应用该方法所制备的锂电池电解质薄膜，能够使锂电池在保障安全的基础上，有效提高锂电池充电速率，并可应用于多种不同的场景。

权利要求

1.一种锂电池电解质薄膜制备方法，其特征在于，包括：将聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物PVDF-trFE加入丙酮并加热搅拌溶解，以生成甲液；

向所述甲液加入钛酸钡BTO纳米颗粒并加热搅拌分散，以生成乙液；

向所述甲液加入去离子水并加热搅拌，以生成丙液；

将所述丙液滴在铜箔上，并通过刮刀生成薄膜；

对所述薄膜依次进行风干处理以及烘干处理，以生成所述锂电池电解质薄膜；

其中，所述锂电池电解质薄膜具有多孔结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在生成所述锂电池电解质薄膜之后，还包括：在将所述锂电池电解质薄膜冲片后转至手套箱，并浸泡于电解液中，以生成含钛酸钡纳米颗粒的电解质层。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于；

所述电解质层中钛酸钡纳米颗粒的体积分数根据所述BTO固体的密度以及所述电解质层的质量确定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物PVDF-trFE加入丙酮并加热搅拌溶解，具体为：将所述PVDF-trFE溶于所述丙酮，并持续进行加热搅拌，直至完全溶解。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述PVDF-trFE、所述去离子水与所述丙酮的重量配比为1：1：8；

加热温度的范围为40℃-60℃，搅拌时间的范围为30分钟至180分钟之间；

烘干温度为50℃；烘干时间为10小时；

所述刮刀旋钮调节为40μm。

6.权利要求1-5任一项所述的锂电池电解质薄膜制备在制备锂电池中的用途。

7.一种锂电池电解质薄膜，其特征在于，通过权利要求1-5任一项所述的方法制备得到。

8.一种锂电池，包括电解液，其特征在于，还包括：由权利要求1-5任一项制备得到的锂电池电解质薄膜、由钛酸锂组成的负极材料以及由多孔碳组成的正极材料。

9.如权利要求8所述的锂电池，其特征在于，所述钛酸锂材料具体通过以下方式得到：(1)称取聚乙烯吡咯烷酮1g并加入到7ml乙醇溶液中，混合溶解后形成A溶液；

(2)将0.3g无水醋酸锂加入5ml乙酸中混合溶解形成B溶液；

(3)把B溶液加入A溶液中，形成C溶液(4)在C溶液中加入钛酸正四丁酯，搅拌均匀，进行静电纺丝，以生成所述钛酸锂材料。

10.一种电子设备，其特征在于，包含如权利要求8或9任一项所述的锂电池。

说明书

一种锂电池隔膜制备方法以及锂电池

技术领域

[0001] 本发明涉及锂电池技术领域，特别涉及一种锂电池隔膜制备方法。本发明同时还涉及一种锂电池。

背景技术

[0002] 锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

[0003] 由于具有小型轻量，高能量密度等优势，锂离子电池被广泛的用作为便携式电子器件的主要供能装置。近年来，锂离子电池被认为是电动汽车的首选能源装备。然而，安全性能差且充电速率过低等两个缺点限制了锂离子电池在车载动力电池领域的进一步发展。

[0004] 现有技术中，一般解决办法是通过提高电池正负极材料性能和电解质性能来提高电池的电化学性能，但发明人在实现本发明的过程中发现，该方式并不能有效地解决安全问题以及提高充电速度。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种锂电池电解质隔膜制备方法，用以解决现有技术中锂电池的薄膜不良而导致的安全隐患以及充电速率慢等缺陷，该方法包括：

[0006] 将聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物PVDF-trFE加入丙酮并加热搅拌溶解，以生成甲液；

[0007] 向所述甲液加入钛酸钡BTO纳米颗粒并加热搅拌溶解，以生成乙液；

[0008] 向所述甲液加入去离子水并加热搅拌，以生成丙液；

[0009] 将所述丙液滴在铜箔上，并通过刮刀生成薄膜；

[0010] 对所述薄膜依次进行风干处理以及烘干处理，以生成所述锂电池电解质薄膜；

[0011] 其中，所述锂电池电解质薄膜具有多孔结构。

[0012] 优选的，在生成所述锂电池电解质薄膜之后，还包括：

[0013] 在将所述锂电池电解质薄膜冲片后转至手套箱，并浸泡于电解液中，以生成含钛酸钡纳米颗粒的电解质层。

[0014] 优选的，所述电解质层中钛酸钡纳米颗粒的体积分数根据所述BTO固体的密度以及所述电解质层的质量确定。

[0015] 优选的，将聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物PVDF-trFE加入丙酮并加热搅拌溶解，具体为：

[0016] 将所述PVDF-trFE溶于所述丙酮，并持续进行加热搅拌，直至完全溶解。

[0017] 优选的，所述PVDF-trFE、所述去离子水与所述丙酮的重量配比为1：1：8；

[0018] 加热温度的范围为40℃-60℃，搅拌时间的范围为30分钟至180分钟之间；

[0019] 烘干温度为50℃；烘干时间为10小时；

[0020] 所述刮刀旋钮调节为40um。

[0021] 相应的，本发明还提出了如上任一项所述的锂电池电解质薄膜制备在制备锂电池中的用途。

[0022] 相应的，本发明还提出了一种锂电池电解质薄膜，通过如上任一项所述的方法制备得到。

[0023] 相应的，本发明还提出了一种锂电池，包括电解液，还包括由如上任一项制备得到的锂电池电解质薄膜、由钛酸锂组成的负极材料以及由多孔碳组成的正极材料。

[0024] 优选的，所述钛酸锂材料具体通过以下方式得到：

[0025] (1)称取聚乙烯吡咯烷酮1g并加入到7ml乙醇溶液中，混合溶解后形成A溶液；

[0026] (2)将0.3g无水醋酸锂加入5ml乙酸中混合溶解形成B溶液；

[0027] (3)把B溶液加入A溶液中，形成C溶液

[0028] (4)在C溶液中加入钛酸正四丁酯，搅拌均匀，进行静电纺丝，以生成所述钛酸锂材料。

[0029] 相应的，本发明还提出了一种电子设备，包含如上任一项所述的锂电池。

[0030] 由此可见，通过应用本申请的技术方案，该锂电池电解质薄膜制备方法工艺简单，容易制备，可循环回收，适合大量生产，且通过应用该方法所制备的锂电池电解质薄膜，能够使锂电池在保障安全的基础上，有效提高锂电池充电速率，并可应用于多种不同的场景。

附图说明

[0031] 图1为本发明提出的一种锂电池电解质薄膜制备方法的流程示意图；

[0032] 图2为本发明具体实施例一所制备的固态电解质实物图片；

[0033] 图3为本发明具体实施例一制备的固态电解质图用于扣式电池的功率密度和传统PE材料用于扣式电池电解质之间的对比示意图。

具体实施方式

[0034] 如背景技术所述，安全性能差且充电速率过低等两个缺点限制了锂离子电池在车载动力电池领域的进一步发展。传统的解决办法是通过提供电池正负极材料性能和电解质性能来提高电池的电化学性能，但是目前并未有效地解决上述问题。

[0035] 为解决上述问题，本申请提出了一种锂电池电解质薄膜制备方法，如图1所示，该方法包括以下步骤，需要说明的是，下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到：

[0036] S101，将聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物PVDF-trFE加入丙酮并加热搅拌溶解，以生成甲液。

[0037] 在该步骤中，本领域技术人员可以根据待制备的锂电池电解质薄膜的用量灵活配置PVDF-trFE以及丙酮的重量，加热以及搅拌时间以二者完全溶解混合为准。

[0038] 在本申请的优选实施例中，为了保证效果，将所述PVDF-trFE溶于所述丙酮，并持续进行加热搅拌，直至完全溶解。该步骤以及后续步骤的加热温度的范围为40℃-60℃，搅拌时间的范围为30分钟至180分钟之间，在能够达到溶解效果的基础上，加热温度以及搅拌时间的不同并不影响本申请的保护范围。

[0039] 需要说明的是，上述本发明实施例中，所述PVDF-trFE以及丙酮的具体种类不受特别限制，只要满足要求，本领域技术人员可以根据需要进行灵活选择。

[0040] S102，向所述甲液加入钛酸钡BTO纳米颗粒并加热搅拌分散，以生成乙液。

[0041] 为了能够提高设置薄膜的锂电池的充电速率，本发明方案额外的在薄膜制备过程中加入钛酸钡，在具体的操作过程中，最终所制备得到的薄膜所生成的电解质层中钛酸钡纳米颗粒的体积分数根据所述BTO固体的密度以及所述电解质层的质量确定。本领域技术人员可以灵活配置，该步骤以及后续步骤的加热温度的范围为40℃-60℃，搅拌时间的范围为30分钟至180分钟之间，在能够达到溶解效果的基础上，加热温度以及搅拌时间的不同并不影响本申请的保护范围。同时，钛酸钡材料的具体种类不受特别限制，只要满足要求，本领域技术人员可以根据需要进行灵活选择。

[0042] S103，向所述甲液加入去离子水并加热搅拌，以生成丙液。

[0043] 本领域技术人员可以根据待制备的锂电池电解质薄膜的用量灵活配置去离子水的重量，在本申请的优选实施例中，所述PVDF-trFE、所述去离子水与所述丙酮的重量配比为1：1：8，该步骤以及后续步骤的加热温度的范围为40℃-60℃，搅拌时间的范围为30分钟至180分钟之间，在能够达到溶解效果的基础上，加热温度以及搅拌时间的不同并不影响本申请的保护范围。

[0044] S104，将所述丙液滴在铜箔上，并通过刮刀生成薄膜。

[0045] 在本申请的优选实施例中，为了达到更好的生成效果，该步骤中的刮刀旋钮调节为40μmum。具体的步骤以及工艺条件不受特别限制，本领域技术人员可以根据需要进行灵活选择。

[0046] S105，对所述薄膜依次进行风干处理以及烘干处理，以生成所述锂电池电解质薄膜。

[0047] 在该步骤中，烘干的具体工艺条件不受特别限制，本领域技术人员可以根据需要进行灵活选择。对于烘干时间以及温度，本申请优选实施例中烘干温度选择为50℃；烘干时间设置为10小时。

[0048] 在本申请的技术方案中，最终生成的锂电池电解质薄膜具有多孔结构，在实际应用的过程中，多孔纳米复合薄膜可灌注大量有机电解液，既能防止电池在使用过程中的电解液的泄露，又能避免传统锂电池中由于锂枝晶生长所带来热失控等问题，从而保证所组装的锂电池的安全性。

[0049] 为了达到以上目的，在该步骤之后，技术人员可在将所述锂电池电解质薄膜冲片后转至手套箱，并浸泡于电解液中，以生成含钛酸钡纳米颗粒的电解质层。并且，此复合薄膜具有大量的电偶极子，可在电池充电过程中加速正负电荷的分离和迁移，可进一步提高此锂电池的充电速率。

[0050] 通过应用本申请的技术方案，该锂电池电解质薄膜制备方法工艺简单，容易制备，可循环回收，适合大量生产，且通过应用该方法所制备的锂电池电解质薄膜，能够使锂电池在保障安全的基础上，有效提高锂电池充电速率，并可应用于多种不同的场景。

[0051] 基于上述锂电池电解质薄膜制备方法，本发明还公开了一种锂电池电解质薄膜，该锂电池电解质薄膜通过如上所述的方法制备得到。相应的，本申请还公开了如上所述的锂电池电解质薄膜制备在制备锂电池中的用途，具体的应用方式的不同并不影响本申请的保护范围。

[0052] 为了进一步地阐述本申请的技术方案，以下本申请的具体实施例分别以制备不同体积分数钛酸钡纳米颗粒的电解质层进行说明：

[0053] 实施例1、制备用于固态电池中含5vol％(体积分数)钛酸钡纳米颗粒的电解质层。

[0054] 首先称量1g PVDF-trFE，将其溶于8g丙酮中，在此过程中需要使用密封带盖子的瓶子进行溶解。然后在50℃的情况下搅拌30分钟直至完全溶解。进一步称量与5vol％(体积分数)的对应质量的BTO固体(边长约50nm)并加入上述溶液中。然后将溶液继续50℃加热搅拌1小时，紧接着滴加1g去离子水。至此，将混合溶液于50℃加热搅拌3小时直至混合均匀。最后将样品滴在铜箔上，用刮刀刮出薄膜，刮刀的旋钮均调节为40um，并将刮出的薄膜静置风干10小时，并于50℃烘箱烘干10小时。从而获得具有多孔结构的纳米薄膜。将薄膜冲片，转移到手套箱然后放在电解液中浸泡。

[0055] 通过该实施例一制备的固态电解质图用于扣式电池的功率密度和传统PE材料用于扣式电池电解质之间的对比示意图如图3所示。

[0056] 实施例2、制备用于固态电池中不含钛酸钡纳米颗粒的电解质层。

[0057] 首先称量1g PVDF-trFE，将其溶于8g丙酮中，在此过程中需要使用密封带盖子的瓶子进行溶解。然后在50℃的情况下搅拌30分钟直至完全溶解。进一步称量与5vol％(体积分数)的对应质量的BTO固体(边长约100nm)并加入上述溶液中。然后将溶液继续50℃加热搅拌1小时，紧接着滴加1g去离子水。至此，将混合溶液于50℃加热搅拌3小时直至混合均匀。最后将样品滴在铜箔上，用刮刀刮出薄膜，刮刀的旋钮均调节为40um，并将刮出的薄膜静置风干10小时，并于50℃烘箱烘干10小时。从而获得具有多孔结构的纳米薄膜。将薄膜冲片，转移到手套箱然后放在电解液中浸泡。

[0058] 通过以上具体实施例所制备的锂电池隔膜所生成的电解质层，能够解决传统锂电池的安全隐患并提高充电速率，其柔性特性使得其有广泛的应用场景，且快速充放电性能有着非常诱人的使用价值。

[0059] 基于上述方法所制备得到的锂电池电解质薄膜，本申请还提出了一种锂电池，该锂电池除了包括电解液以外，还包括根据上述锂电池电解质薄膜制备方法所制备得到的锂电池电解质薄膜、由钛酸锂组成的负极材料以及由多孔碳组成的正极材料。

[0060] 通过应用本发明所提出具有上述锂电池电解质薄膜的锂电池，该锂电池具有很高的快充效率以及安全性能，克服了现有技术中的锂电池充电慢以及安全性不佳的缺点，具有广阔的应用价值。

[0061] 在本申请的优选实施例中，所述钛酸锂材料具体通过以下方式得到：

[0062] (1)称取聚乙烯吡咯烷酮1g并加入到7ml乙醇溶液中，混合溶解后形成A溶液；

[0063] (2)将0.3g无水醋酸锂加入5ml乙酸中混合溶解形成B溶液；

[0064] (3)把B溶液加入A溶液中，形成C溶液；

[0065] (4)在C溶液中加入钛酸正四丁酯，搅拌均匀，进行静电纺丝，以生成所述钛酸锂材料。

[0066] 为了进一步地阐述本申请的技术方案，以下本申请的具体实施例对该锂电池制备过程中的关键过程进行描述，需要说明的是，实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品：

[0067] 该具体实施例采用PVDF-trFE、丙酮、钛酸钡(BTO)作为合成中间层固态电解质原材料。聚乙烯吡咯烷酮、乙醇、无水醋酸锂、乙酸、钛酸正四丁酯作为合成正极钛酸锂的原材料。优选地，本发明通过以下方式制备钛酸锂材料：

[0068] (1)称取聚乙烯吡咯烷酮1g,将其加入到7ml乙醇溶液中。混合溶解后形成A溶液；

[0069] (2)将无水醋酸锂(0.3g)加入5ml乙酸中混合溶解形成B溶液。；

[0070] (3)紧接着把B溶液加入A溶液中，形成C溶液。最后在C溶液中加入钛酸正四丁酯，搅拌均匀，进行静电纺丝。

[0071] 通过上述方式生成钛酸锂材料后，该具体实施例将钛酸锂作为正极材料，固态电解质复合薄膜作为固态电解质，商用多孔碳作为负极材料。按扣式电池组装方式组装，从而得到本发明的锂电池。在该制备过程中，不仅工艺参数易于控制；所制备柔性固态电池性能优异，并能通过工艺参数对性能进行调控。解决了现有的锂电池的安全问题以及充电速率慢的问题。

[0072] 相应的，本发明还提出了一种电子设备，该电子设备包含如上任一项所述的锂电池。

[0073] 本发明的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

[0074] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0075] 本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

[0076] 上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

[0077] 以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。