[01526193]无机纳米材料掺杂聚甲基丙烯酸酯基凝胶电解质的制备及其在高电压锂离子电池中的应用

① 课题来源与背景 课题来源：广州市科学技术局项目“无机纳米材料掺杂聚甲基丙烯酸酯基凝胶电解质的制备及其在高电压锂离子电池中的应用”（课题立项编号：201610010044）。背景：二次锂电池问世到现在,已广泛应用于小型可移动装置,并逐步进军大型储能与动力电池装置。鉴于环境和能源方面的压力,急需推广新能源汽车,但目前锂电池存在受限于材料的安全性问题和能量密度问题。安全性问题是锂电池发展过程中无法回避的棘手问题：即使特斯拉从单体电池到电池组再到电源管理系统层层把关,也无法避免汽车碰撞导致电池着火而引发安全事故。锂电池在正常工作电压范围的安全性问题已经成为阻碍其成为动力电池发展的难题,如果提高电池工作电压,安全性问题将进一步凸显。另外,正极材料溶解的金属离子将通过隔膜在负极表面沉积,形成的“死锂”既降低电池容量,又埋下安全隐患。凝胶聚合物电解质是较好解决电池安全性问题及电解质在高压下的稳定性问题的候选者。研发高电导率并兼顾安全性及高分解电位的电解质成为迫切需要解决的问题。 ② 研究目的与意义 高能动力锂离子电池是国家和地方政府“新能源汽车”战略性新兴产业的关键技术,目前电池能量密度还不能满足实际应用需求。项目开展掺杂不同种类及含量纳米颗粒的聚甲基丙烯酸酯类凝胶聚合物电解质的基础和应用研究,提出了解决目前困扰凝胶电解质发展问题的新方案和应用技术。不仅实现氧化分解电位、机械强度且离子电导率高的电解质制备技术的突破,而且因陶瓷隔膜的凝胶化及有害离子的阻挡作用而提高安全性;电池工作电压提高带来电池功率密度与能量密度的提升。研究结果既可解决高压正极材料的应用问题,又丰富了物理化学电解质研究的理论内容,同时可望实现锂离子电池比能量、循环寿命、安全性等性能及生产成本的突破,促进新能源汽车的发展。 ③ 主要论点与论据 利用聚合物各个单体的特性,采用乳液聚合法、共混等方法制备系列甲基丙烯酸酯类的新型二元、三元和四元共聚物及共混物为基体的GPE,以提高聚合物锂离子电池的应用水平。为了提高GPE的离子电导率,在已经制备的聚合物基质中添加纳米SiO2及Al2O3等系列颗粒进一步制备支撑体支撑聚合物掺杂纳米颗粒的复合GPE。同时在GPE中加入一定量界面成膜添加剂改善凝胶电解质/高电压正极的界面稳定性,从而提升电池的综合性能。 ④ 创见与创新 构建高安全低成本的甲基丙烯酸酯类凝胶聚合物电解质,解决了宽电化学稳定窗口、锂离子电导率和机械强度三大性能之间的矛盾。引入界面膜解决凝胶聚合物电解质与高电压正极匹配性问题,使设计制备得到的凝胶聚合物电解质与高电压正极的相容性提高,保证电池具备较好的循环稳定性。拓展纳米颗粒解决溶解正极金属离子通过凝胶聚合物电解质到达负极破坏循环行为的功能。 ⑤ 社会经济效益,存在的问题 项目技术促进我国锂离子电池产业的健康发展,使高嵌锂电位、大容量的锰基正极材料和低嵌锂电位、高容量硅锡基负极材料的应用成为可能,实现锂离子电池能量密度、安全性及低成本的突破,推动动力锂离子电池的技术进步,促进新能源汽车、可再生能源等产业的发展。因此,项目具有一定的社会和经济效益。存在问题：无。 ⑥ 历年获奖情况 无。 ⑦ 成果简介要向社会公开,请不要填写商业秘密内容 二次锂电池问世到现在,已广泛应用于小型可移动装置,并逐步进军大型储能与动力电池装置。鉴于环境和能源方面的压力,急需推广新能源汽车,但目前锂电池存在受限于材料的安全性问题和能量密度问题。安全性问题是锂电池发展过程中无法回避的棘手问题：即使特斯拉从单体电池到电池组再到电源管理系统层层把关,也无法避免汽车碰撞导致电池着火而引发安全事故。锂电池在正常工作电压范围的安全性问题已经成为阻碍其成为动力电池发展的难题,如果提高电池工作电压,安全性问题将进一步凸显。另外,正极材料溶解的金属离子将通过隔膜在负极表面沉积,形成的“死锂”既降低电池容量,又埋下安全隐患。凝胶聚合物电解质是较好解决电池安全性问题及电解质在高压下的稳定性问题的候选者。研发高电导率并兼顾安全性及高分解电位的电解质成为迫切需要解决的问题。本成果不仅实现氧化分解电位、机械强度且离子电导率高的电解质制备技术的突破,而且因陶瓷隔膜的凝胶化及有害离子的阻挡作用而提高安全性;电池工作电压提高带来电池功率密度与能量密度的提升。同时实现锂离子电池比能量、循环寿命、安全性等性能及生产成本的突破,促进新能源汽车的发展。