гель-полимерный электролит и источник тока с его использованием
Классы МПК: | C08F259/00 Высокомолекулярные соединения, полученные полимеризацией мономеров на полимерах галогенсодержащих мономеров, отнесенных к группе 14/00 C08F214/22 винилиденфторид C08F214/24 трифторхлорэтен C08L27/22 модифицированных путем последующей химической обработки C08K3/10 соединения металлов H01M10/26 выбор материалов для электролитов |
Автор(ы): | Трофимов Николай Валентинович (RU), Громов Валерий Викторович (RU), Юленец Юрий Павлович (RU), Трофимов Валентин Васильевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли РФ (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-08-25 публикация патента:
20.07.2011 |
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.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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: LiCF 3SO4, LiPF6, LiBF4, LiClO 4, 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.
Класс C08F259/00 Высокомолекулярные соединения, полученные полимеризацией мономеров на полимерах галогенсодержащих мономеров, отнесенных к группе 14/00
Класс C08F214/22 винилиденфторид
Класс C08F214/24 трифторхлорэтен
Класс C08L27/22 модифицированных путем последующей химической обработки
Класс C08K3/10 соединения металлов
Класс H01M10/26 выбор материалов для электролитов