本发明专利技术公开了一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质体系及其制备方法和在锂离子电池中的应用，该体系由“骨架材料”聚氨酯、纤维素以及电解液组成，聚氨酯与锂盐的质量比为（1～10）：1，纤维素孔径为50～1000纳米，厚度为20～400微米。使用该体系作为锂离子电池电解质，提高了电池的安全性，并且具有高的离子电导率和循环稳定性和高容量，适用于大容量和动力锂离子电池中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种新型的纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质的制备技术，这种材料能够应用于高性能的锂离子电池。本专利技术涉及高性能、低成本凝胶聚合物电解质的制备技术和锂离子电池、聚合物复合材料领域。
技术介绍
锂离子二次电池具有高比容量、高电压，体积小，能量密度高、输出电压高、无记忆效应、环境友好等优点，是一种具有良好经济效益、社会效益和战略意义的绿色化学电源，并且在近十年来获得了巨大的发展。但是对目前使用液体电解质的锂离子二次电池来说，如电解液为碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）等，都会出现易燃、易挥发、反应活性高等安全问题，使得高容量和动力锂离子电池还没有广泛应用，因而提高锂离子电池安全性能是研发锂离子二次电池的关键。目前的解决方法是采用固态或半半固态电解质来代替有机液体电解液，如凝胶聚合物电解质、聚合物电解质（全固态）、无机电解质等。其中无机电解质具有最高的锂离子传导率，但不易加工，与电极的界面电阻较大。而全固态电解质目前存在离子电导率太低，界面阻抗大等缺点。凝胶聚合物电解质是液体电解质和聚合物电解质的过渡阶段，可以避免全固态电解质的缺点，具有高的锂离子传导率，低的自放电速率和电化学稳定性等优点。凝胶聚合物电解质是以聚合物为基体，其交联结构“锁住”电解液和锂盐，使得其既具有高的离子电导率，又兼顾高电化学稳定性和安全性。在众多的聚合物中，聚氨酯由于其特殊的“软硬段”结构受到了很多的关注，其中硬链段负责结构的空间稳定性而软链段有利于碱金属更好地溶于聚合物，提高凝胶聚合物电解质的导电能力。许多研究都致力于将聚氨酯与其它聚合物进行共混或共聚合制备凝胶聚合物电解质，如TPU/PVDF-HFP（Studyofanovelporousgelpolymerelectrolytebasedonthermoplasticpolyurethane/poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene)byelectrospinningtechnique[J].JournalofPowerSources,2014,263:118-124.）、TPU/PVDF（WuN,JingB,CaoQ,etal.AnovelelectrospunTPU/PVdFporousfibrouspolymerelectrolyteforlithiumionbatteries[J].JournalofAppliedPolymerScience,2012,125(4):2556-2563.）共混聚合物电解质体系等。然而，这些体系面临的问题还是循环稳定性差，因此寻找一种具有稳定性好的材料与聚氨酯复合而获得稳定、高效、性能优异的凝胶聚合物电解质是有意义的。
技术实现思路
针对
技术介绍
描述的现有技术存在的技术的不足，本专利技术提供一种新型的生物质纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质体系以及制备方法。为实现上述目的本专利技术采用的技术方案为：一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质，该电解质包括纤维素膜、聚氨酯、锂盐、有机溶剂。所述的纤维素膜厚度为10~150微米，孔径为50~1000纳米，膜表面及内部分布对称而均匀，所述的凝胶聚合物电解质的厚度为20~400微米。所述的聚氨酯结构为：，其中，n=10～50，R为或，R1为下列结构中的一种或多种：，，，a=5～100中的任意整数；b=1～50中的任意整数；c=1～50中的任意整数，聚氨酯分子量在5万～40万之间，其玻璃化转变温度为-60°C～0°C。所述的锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂中的一种或多种。所述的有机溶剂为四乙二醇二甲醚（TEGDME）、二乙二醇二甲醚（DEGDME）、二甲醚（DME）、二甲基亚砜（DMSO）、氮甲基吡咯烷酮（NMP）中的一种或两种。一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：（1）取100~500g聚氨酯在120°C真空烘箱中干燥12小时，之后放置在氩气保护的手套箱中备用；（2）在手套箱中，取0.5~5g聚氨酯，加入2~15mL极性溶剂，室温磁力搅拌5h~24h；（3）在样品瓶中分别加入有机溶剂和锂盐，使得锂盐的浓度为0.2mol/L～3mol/L，在手套箱中静置3~24h；（4）待两种溶液都溶解后，取步骤（3）所得溶液放入步骤（2）所得溶液中，使得聚氨酯与锂盐的质量比为1~10:1，室温下磁力搅拌6~36h；（5）取纤维素隔膜平铺在聚四氟乙烯板上，将步骤（4）中的1~15ml混合溶液倒入纤维素的一侧，用75~600微米刮刀缓慢均匀的将混合溶液刮在纤维素膜上，之后转移到60°C烘箱中，干燥5~36小时；（6）测量步骤（5）获得的凝胶聚合物电解质的厚度，其厚度为20~400微米。步骤（2）中所述的极性溶剂为四氢呋喃、二甲基甲酰胺、乙腈中的一种或两种，步骤（3）所述的有机溶剂为四乙二醇二甲醚（TEGDME）、二乙二醇二甲醚（DEGDME）、二甲醚（DME）、二甲基亚砜（DMSO）、氮甲基吡咯烷酮（NMP）中的一种或两种。一种聚合物锂离子二次电池，包括上述所述的纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质、正极和负极；其中，所述的凝胶聚合物电解质位于正极和负极之间。所述的正极的活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、镍锰酸锂中的一种或多种。所述的负极为锂片。本专利技术所具有的优点：采用纤维素与新型结构的聚氨酯以及电解液复合，形成新型的凝胶聚合物电解质，具有高电导率和高电化学稳定性，更重要的是该凝胶聚合物电解质用于锂离子电池中有优异的循环稳定性和倍率性能。附图说明附图1：实施例1以及对比例所得的凝胶聚合物电解质的照片，其中GPE代表对例1中的凝胶聚合物电解质，CGPE代表实施例1中所得的凝胶聚合物电解质。附图2：实施例2所得的凝胶聚合物电解质在80°C下的阻抗曲线。附图3：实施例3所得的凝胶聚合物电解质（CGPE）已经对比例所得的凝胶聚合物电解质（GPE）的电化学窗口。附图4：实施例5所得的凝胶聚合物电解质组装成扣式电池在80°C、2C倍率下200次充放电循环曲线。附图5：实施例6以及对比例所得的凝胶聚合物电解质在80℃下的倍率性能。其中，GPE代表对比例所得的凝胶聚合物电解质，Cellulose-basedGPE代表实施例6所得的凝胶聚合物电解质。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术作进一步描述：实施例1：（1）在手套箱中，称取5mlDMF于20ml样品瓶中。（2）在手套箱中，称取1.2g聚氨酯加入步骤（1）所述的DMF中，25°C磁力搅拌12h，聚氨酯分子结构如下：，其中，R的结构为：，R1的结构为：。（3）在手套箱中，称取5mlTEGDME和1.43gLiTFSI加入20ml样品瓶中，使得锂盐（LiTFSI）的浓度为1mol/L，静置24h。（4）在手套箱中，取2.8ml步骤（3）所得的溶液加入到步骤（2）所得的溶液中，使得聚氨酯与锂盐的质量比为1.5:1。25°C下磁力搅拌24h。（5）取纤维素平铺在干净的聚四氟乙烯板上，取5ml步骤（4）所得的溶液放置纤维素的一侧，用500微米的刮刀缓慢均匀的将溶液刮在纤维素膜上，转移到60°C烘箱中，干燥6h除去DMF。（6）用千分尺测本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质，其特征在于：该电解质包括纤维素膜、聚氨酯、锂盐、有机溶剂。
【技术特征摘要】
1.一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质，其特征在于：该电解质包括纤维素膜、聚氨酯、锂盐、有机溶剂。2.根据权利要求1所述的一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述的纤维素膜厚度为10~150微米，孔径为50~1000纳米，膜表面及内部分布对称而均匀，所述的凝胶聚合物电解质的厚度为20~400微米。3.根据权利要求1所述的一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述的聚氨酯结构为：其中，n=10～50，R为或，R1为下列结构中的一种或多种：，，，a=5～100中的任意整数；b=1～50中的任意整数；c=1～50中的任意整数，聚氨酯分子量在5万～40万之间，其玻璃化转变温度为-60°C～0°C。4.根据权利要求1所述的一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述的锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质，其特征在于：所述的有机溶剂为四乙二醇二甲醚（TEGDME）、二乙二醇二甲醚（DEGDME）、二甲醚（DME）、二甲基亚砜（DMSO）、氮甲基吡咯烷酮（NMP）中的一种或两种。6.根据权利要求1-5任一项所述的一种纤维素/聚氨酯凝胶聚合物电解质的制备方法，包括如下步骤：（1）取100~500g聚氨酯在120°C真空烘箱中干燥12小时，之后放置在氩气保护的手套箱中备用；（2）在手套箱中，取0...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔光磊，陈骁，刘凯良，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37
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