Гель-полимерный электролит и источник тока с его использованием

Изобретение имеет отношение к гель-полимерному электролиту, а также литий-ионному аккумулятору и батарее, в которых используется такой электролит. Гель-полимерный электролит содержит полимерную матрицу, полученную путем взаимодействия прививкой к сополимеру трифторхлорэтилена и винилиденфторида сополимера полиэтиленгликольакрилата в органическом растворителе, при содержании полиэтиленгликольакрилата 20-75%, где в привитом сополимере содержание звеньев винилиденфторида составляет 25-35%, с последующим введением литиевой соли в количестве от 5 до 20% в расчете на 100 массовых частей матрицы. Технический результат - получение гель-полимерного электролита с высокой механической прочностью, стабильной структурой полимера и повышенной ионной проводимостью. Литиевый источник тока, соответственно, имеет улучшенные электрические и эксплуатационные характеристики. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к полимерному электролиту, способам его получения и может быть использовано при изготовлении литиевых источников тока с полимерным электролитом (аккумуляторов, батарей).

Известен гель-полимерный электролит, описанный в патенте США (патент США №5658686, кл. Н01М 4/02; Н01В 1/12; Н01М 4/38; Н01М 4/58; Н01М 6/22; Н01М 10/40; Н01М 6/16; Н01М 4/02; Н01В 1/12; Н01М 4/38; Н01М 4/58; Н01М 6/00; Н01М 6/16; Н01М 6/14; 19.08.1997).

Указанный электролит получают путем растворения полиакрилонитрила в нерастворимом в воде растворителе.

Однако известный гель-полимерный электролит отличается невысокой механической прочностью и низкой способностью впитывать соли лития, что отрицательно сказывается на его ионной проводимости.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению - прототипом - является полимерный электролит на основе фторированного привитого сополимера и литиевая аккумуляторная батарея с использованием полимерного электролита (патент РФ №2218359, кл. C08F 259/08, C08F 214/22, C08F 214/24, C08L 27/22, С08К 3/10, H01M 10/26, БИПМ №34 10.12.2003). Этот полимерный электролит изготавливают путем растворения фторированного привитого сополимера и литиевой соли в органическом растворителе. Полученный электролит на основе привитого сополимера монометилового эфира полиэтиленгликоля и сополимера трифторхлорэтилена и винилиденфторида обладает достаточно высокой проводимостью и высокой адгезией к электродам.

Однако недостатком вещества-прототипа является невысокая механическая прочность, обусловленная нестабильностью структуры сополимера матрицы электролита на основе монометилового эфира полиэтиленгликоля, и, соответственно, низкая проводимость гель-полимерного электролита.

Задачей настоящего изобретения является получение гель-полимерного электролита с высокой механической прочностью, стабильностью структуры полимера и повышенной ионной проводимостью.

Решение поставленной задачи достигается тем, что гель-полимерный электролит содержит полимерную матрицу, полученную путем взаимодействия прививкой к сополимеру трифторхлорэтилена (ГОСТ 13144-87) и винилиденфторида (ГОСТ 18376-79) сополимера полиэтиленгликольакрилата (ГОСТ, ТУ нет, выпускается по заказу на ООО «Завод синтанолов», г.Дзержинск, Нижегородской обл.) в органическом растворителе при содержании полиэтиленгликольакрилата 20-75%, молекулярной массой (ММ) от 9000 до 500000, описываемую формулой (1):

где n=1-10; m=1-5;

l=50-337;

a=7-8; b=5-10;

содержание звеньев винилиденфторида в сополимере составляет 25-35%.

Поставленная задача решается также тем, что в литий-ионном аккумуляторе (батарее) в качестве электролита используют гель-полимерный электролит, описываемый формулой (1), содержащий литиевую соль в количестве от 5 до 20% в расчете на 100 мас. частей матрицы.

Толщина получаемого полимерного электролита находится в диапазоне от 10 до 40 мкм, в зависимости от конструктивных требований изделия (аккумулятора).

В качестве литиевой соли вводят одно или несколько соединений, выбранных из группы: LiCF₃SO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄, LiN(CF₃SO₂)₂. Содержание литиевой соли находится в диапазоне от 5 до 20 массовых частей в расчете на 100 массовых частей привитого сополимера трифторхлорэтилена (ТФХЭ) и винилиденфторида (ВДФ) и сополимера полиэтиленгликольакрилата (ПЭГА).

В качестве органического растворителя используют этилацетат, ацетон, метиэтилкетон, тетрагидрофуран, диметилсульфоксид, а также любой растворитель, который растворяет привитой сополимер ПЭГА и сополимер ТФХЭ-ВДФ и литиевую соль. Содержание растворителя находится в диапазоне от 500 до 2000 массовых частей в расчете на 100 массовых частей привитого сополимера ПЭГА и сополимера ТФХЭ-ВДФ.

Предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо при производстве литий-ионных аккумуляторов и батарей с гель-электролитом.

Заявляемый гель-полимерный электролит получают следующим образом.

В полимерную матрицу электролита литий-ионных аккумуляторов, состоящую из сополимера трифторхлорэтилена и винилиденфторида и сополимера полиэтиленгликольакрилата, полученную при различных содержаниях полиэтиленгликольакрилата (20, 50, 75%), вводился (методом пропитки) LiClO₄ в пропиленкарбонате (ПК) и LiPF₆ в ПК. После этого производилась оценка удельной проводимости, % количества вошедшего электролита (впитываемости - пористости) и механической прочности матрицы.

Для получения сравнительных данных с веществом-прототипом использовалась матрица гель-полимерного электролита на основе сополимера монометилового эфира полиэтиленгликоля с молекулярной массой 200000.

Исследование проводимости полученных пленок осуществлялось методом импедансной спектроскопии, количество впитанного (вошедшего) электролита определялось по привесу после удаления растворителей, механическая прочность определялась на разрывной машине РМП-50.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Как видно из таблицы, предлагаемый гель-полимерный электролит обладает более высокой по сравнению с прототипом удельной проводимостью и механической прочностью.

Заявляемое вещество представляет собой твердый полимерный электролит, не содержащий органических растворителей. Он является основой для изготовления литий-ионного аккумулятора с гель-полимерным электролитом.

Сначала изготавливаются положительный и отрицательный электроды. После этого на один из электродов (предпочтительно отрицательный) наносится пленка из гель-полимерного электролита, которая затем высушивается.

Можно получать гель-полимерный электролит путем нанесения пленки на инертную подложку, затем сушить ее, отслаивать от подложки и помещать между положительным и отрицательным электродами при сборке аккумуляторов.

Также можно наносить эту пленку (электролит) на имеющиеся материалы (сепараторы), в каждом случае ограничивая толщину пленки и выбирая тем самым нужный вариант по толщине и емкости в зависимости от конструкции аккумулятора.

С использованием заявляемого гель-полимерного электролита были изготовлены аккумуляторы, при этом электролит располагался в виде пленки между электродами. Напряжение разомкнутой цепи аккумуляторов составляло 3,4-3,6 В.

1. Гель-полимерный электролит, содержащий полимерную матрицу, полученную путем взаимодействия прививкой к сополимеру трифторхлорэтилена и винилиденфторида сополимера полиэтиленгликольакрилата в органическом растворителе, при содержании полиэтиленгликольакрилата 20-75%, где в привитом сополимере содержание звеньев винилиденфторида составляет 25-35%, с последующим введением литиевой соли в количестве от 5 до 20% в расчете на 100 массовых частей матрицы.

2. Литий-ионный аккумулятор, батарея, отличающиеся тем, что в качестве электролита используют гель-полимерный электролит по п.1.