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CN111276695A - 一种全固态锂氟化碳二次电池及其制备方法 - Google Patents

一种全固态锂氟化碳二次电池及其制备方法 Download PDF

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CN111276695A CN202010097260.0A CN202010097260A CN111276695A CN 111276695 A CN111276695 A CN 111276695A CN 202010097260 A CN202010097260 A CN 202010097260A CN 111276695 A CN111276695 A CN 111276695A
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Abstract

本发明公开了一种全固态锂氟化碳二次电池及其制备方法，属于电池技术领域，具体方法为在氟化碳上原位生长一层固态电解质膜，再与金属锂匹配组装成电池。本发明解决了锂氟化碳电池在液态体系下放电产物氟化锂成核不均且颗粒过大而导致的电池无法循环充放的问题。本发明制备的全固态体系下的锂氟化碳电池，放电时氟化锂成核均匀且颗粒小，碳维持无定形，使充电时氟化锂更易分解，电池能够实现二次可充放。

Description

一种全固态锂氟化碳二次电池及其制备方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种全固态锂氟化碳二次电池及其制备方法。
背景技术
近年来，智能手机、手表、眼镜等智能设备和可穿戴设备的兴起为电池的发展带来了新的机遇，同时对于电池的能量密度、循环稳定性、快速充放、安全性提出了更高的要求。
锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，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，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱出，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池具有高比能量、高充放电效率和长寿命等优点，是目前最具有应用前景的化学电源之一。
但传统的锂离子电池正极材料钴酸锂因其造价高、能量密度低、低温性能差等因素已满足不了市场需求，寻求一款具备高能量密度、良好的低温性能的电极材料迫在眉睫。
氟化碳材料理论能量密度达2180Wh kg-1，在低温下仍能正常工作，是非常好的解决方案。但其最大的问题在于锂氟化碳电池在常规电解液体系下放电后，生成的氟化锂颗粒大且难以分解，使其很难作为二次电池，极大限制了锂氟化碳电池的应用。
发明内容
本发明的目的在于：为解决锂氟化碳电池在液态体系下放电产物氟化锂成核不均且颗粒过大而导致的电池无法循环充放的问题，提供一种全固态锂氟化碳二次电池及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，包括以下步骤：
S1.将氟化碳材料、导电剂、粘结剂均匀混合，涂覆于铝箔上制成氟化碳极片；
S2.采用静电纺丝法在15-20kV的高电压下以0.5-1mL/h速率纺织1-5h，从而在S1制得的氟化碳极片表面纺织支撑膜，其中纺丝针尖与极片距离为10-15cm；
S3.将聚合物与锂盐溶于有机溶剂，形成凝胶固态电解质，然后将其滴于S2制得的支撑膜上，加热使得原位形成固态电解质，得到电极片；
S4.裁切S3制得的电极片，并与金属锂匹配装成电池。
本发明所制得的电池通过在氟化碳上原位生长一层固态电解质膜，从而避免了液态电解液体系下氟化锂的成核生长问题；而在全固态体系下的锂氟化碳电池，放电时氟化锂成核均匀且颗粒小，碳维持无定形，使充电时氟化锂更易分解，电池能够实现二次可充放。
进一步地，S1中氟化碳材料、导电剂和粘结剂的质量比为90-96:0.5-5:2-5。
进一步地，S1中氟化碳材料为氟化石墨、氟化石墨烯、氟化碳纳米管、氟化碳微球、氟化软碳和氟化碳纤维中的至少一种；导电剂为乙炔黑、Super P、导电炭黑和碳纳米管中的至少一种；粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯酸以及聚酰亚胺和羧甲基纤维素中的至少一种。
进一步地，S2中支撑膜的材料为聚偏氟乙烯、聚乙二醇、聚己内酯和聚丙烯腈中的至少一种。
进一步地，S2中支撑膜的厚度为5-50μm。
进一步地，S3中聚合物与锂盐的质量比为0.2-5:1。
进一步地，S3中聚合物为聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧丙烷和聚偏氯乙烯中的至少一种；锂盐为六氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂和高氯酸锂中的至少一种；有机溶剂为乙腈、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的至少一种。
进一步地，S3中加热温度为40-80℃。
进一步地，电池的充放电窗口为1.5-5V。
上述的方法制备得到的全固态锂氟化碳二次电池。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明利用静电纺丝，在氟化碳表面纺织成了一定厚度且具有一定机械强度的支撑膜，有效抑制了固态电解质在高温下的流动，防止电池正负极接触引起的短路问题；
2、本发明直接在电极材料表面原位制备固态电解质，使电极材料与电解质结合更为紧密，缩短离子扩散距离，利于反应进行，减小了电池极化；
3、本发明采用全固态体系，避免了液态电解液体系下氟化锂的成核生长问题，有效解决了锂氟化碳电池在液态体系下放电产物氟化锂成核不均且颗粒过大而导致的电池无法循环充放的问题，在使氟化锂成核均匀且颗粒小的同时，碳维持无定形，在充电时氟化锂更易分解，实现了电池二次充放；
4、本发明较液态体系锂氟化碳电池具有更高的能量密度，且操作简便，适用于大规模生产，具备很高的商用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为全固态锂氟化碳二次电池和液态体系下锂-氟化碳电池的首周放电性能图；
图2为全固态锂氟化碳二次电池的循环性能图；
图3为液态体系下锂-氟化碳电池的循环性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明较佳实施例提供的一种全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氟化碳石墨、碳纳米管、聚偏氟乙烯按照质量比95:2:3均匀混合，涂覆于铝箔上制成氟化碳极片；
(2)利用静电纺丝在20kV的高电压下以0.5mL/h速率纺织2h，从而在步骤(1)中所得氟化碳极片表面纺织5μm的聚偏氟乙烯支撑膜，其中纺丝针尖与极片距离为12cm；
(3)将聚环氧乙烷和双三氟甲基磺酰亚胺锂按1:1的质量比溶于乙腈，形成凝胶固态电解质，并将其滴于步骤(2)所得支撑膜上，加热至60℃使原位形成固态电解质，得到电极片；
(4)将步骤(3)所得电极片裁切成片并装配成电池，电化学充放电窗口设为1.5-4.8V。
实施例2
本发明较佳实施例提供的一种全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氟化碳石墨烯、super P、聚四氟乙烯按照质量比92:3:5均匀混合，涂覆于铝箔上制成氟化碳极片；
(2)利用静电纺丝在15kV的高电压下以0.5mL/h速率纺织3h，从而在步骤(1)中所得氟化碳极片表面纺织10μm的聚乙二醇支撑膜，其中纺丝针尖与极片距离为10cm；
(3)将聚环氧乙烷和六氟磷酸锂按2:1的质量比溶于乙腈，形成凝胶固态电解质，并将其滴于步骤(2)的支撑膜上，加热至40℃使原位形成固态电解质，得到电极片；
(4)将步骤(3)所得电极片裁切成片并装配成电池，电化学充放电窗口设为1.5-4V。
实施例3
本发明较佳实施例提供的一种全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氟化碳纳米管、乙炔黑、聚丙烯酸按照质量比96:1:3均匀混合，涂覆于铝箔上制成氟化碳极片；
(2)利用静电纺丝在15kV的高电压下以1mL/h速率纺织4h，从而在步骤(1)中所得氟化碳极片表面纺织20μm的聚己内酯支撑膜，其中纺丝针尖与极片距离为12cm；
(3)将聚偏氟乙烯和高氯酸锂按3:1的质量比溶于N-甲基吡咯烷酮，形成凝胶固态电解质，并将其滴于步骤(2)的支撑膜上，加热至70℃使原位形成固态电解质，得到电极片；
(4)将步骤(3)所得电极片裁切成片并装配成电池，电化学充放电窗口设为1.5-4.2V。
实施例4
(1)将氟化碳纤维、导电炭黑、聚酰亚胺和羧甲基纤维素按照质量比93:3:4均匀混合，涂覆于铝箔上制成氟化碳极片；
(2)利用静电纺丝在20kV的高电压下以1mL/h速率纺织5h，从而在步骤(1)中所得氟化碳极片表面纺织50μm的聚丙烯腈支撑膜，其中纺丝针尖与极片距离为15cm；
(3)将聚环氧丙烷和四氟硼酸锂按5:1的质量比溶于二甲基亚砜，形成凝胶固态电解质，并将其滴于步骤(2)的支撑膜上，加热至80℃使原位形成固态电解质，得到电极片；
(4)将步骤(3)所得电极片裁切成片并装配成电池，电化学充放电窗口设为1.5-4.5V。
实验例1
将实施例1所得电极片用于锂-氟化碳电池体系，在水氧值均小于0.1ppm、惰性气体为氩气的手套箱中组装锂-氟化碳电池。
将电极片制成直径为14mm的极片，以此作为电池的正极，负极为金属锂，封装于CR2032扣式电池中，进行首周放电测试，测试结果如图1所示。
由图1可知，固态体系下的锂-氟化碳电池放电比容量与液态体系下的锂-氟化碳电池放电比容量相当，当其放电平台较液态体系下的更高，说明其具小的电池反应极化，同时具备高达1806Wh kg-1的比能量密度。
实验例2
将实施例1所得电极片用于锂-氟化碳电池体系，在水氧值均小于0.1ppm、惰性气体为氩气的手套箱中组装锂-氟化碳电池。
将电极片制成直径为14mm的极片，以此作为电池的正极，负极为金属锂，封装于CR2032扣式电池中，进行电化学循环测试，测试结果如图2和图3所示。
由图3可知，液态体系下的锂-氟化碳电池首周充电比容量仅97mAh/g，第二周放电比容量也仅有84mAh/g，即液态体系下的锂氟化碳电池不可逆；而由2可知，固态体系下的锂-氟化碳电池首周放电比容量为750mAh/g，充电比容量为672mAh/g，第二周放电容量达到694mAh/g，充电比容量为612mAh/g，第十周，放电比容量保持441mAh/g，充电比容量维持407mAh/g，即固态体系下的锂氟化碳电池具备二次可逆性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将氟化碳材料、导电剂、粘结剂均匀混合，涂覆于铝箔上制成氟化碳极片；
S2.采用静电纺丝法在S1制得的氟化碳极片表面纺织支撑膜；
S3.将聚合物与锂盐溶于有机溶剂，形成凝胶固态电解质，然后将其滴于S2制得的支撑膜上，加热使得原位形成固态电解质，得到电极片；
S4.裁切S3制得的电极片，并与金属锂匹配装成电池。
2.根据权利要求1所述的全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，所述S1中氟化碳材料、导电剂和粘结剂的质量比为90-96:0.5-5:2-5。
3.根据权利要求1所述的全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，所述S1中氟化碳材料为氟化石墨、氟化石墨烯、氟化碳纳米管、氟化碳微球、氟化软碳和氟化碳纤维中的至少一种；导电剂为乙炔黑、Super P、导电炭黑和碳纳米管中的至少一种；粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯酸以及聚酰亚胺和羧甲基纤维素中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，所述S2中支撑膜的材料为聚偏氟乙烯、聚乙二醇、聚己内酯和聚丙烯腈中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，所述S2中支撑膜的厚度为5-50μm。
6.根据权利要求1所述的全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，所述S3中聚合物与锂盐的质量比为0.2-5:1。
7.根据权利要求1所述的全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，所述S3中聚合物为聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧丙烷和聚偏氯乙烯中的至少一种；锂盐为六氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂和高氯酸锂中的至少一种；有机溶剂为乙腈、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，所述S3中加热温度为40-80℃。
9.根据权利要求1所述的全固态锂氟化碳二次电池的制备方法，其特征在于，所述电池的充放电窗口为1.5-5V。
10.权利要求1-9中任一项所述的方法制备得到的全固态锂氟化碳二次电池。
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