[发明专利]一种无机/有机纳米复合固体电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机/有机纳米复合固体电解质及其制备方法，属于无机/有机纳米复合材料及其制备技术领域。

背景技术

在锂离子电池中，使用固体电解质相对于使用液体电解质具有不易漏液、安全、易安装等优点，但固体电解质较低的离子迁移率和较差的热稳定性限制了其在实际生产中的应用。在众多的导电聚合物基体中，聚氧化乙烯PEO作为快离子导体，同时也是锂盐的良好溶剂，具有化学稳定性好、原料易得、合成方法简单等优势。但未经改性的纯PEO作为固体电解质存在以下缺点：首先由于其属于大分子聚合物，由于结晶度较高导致离子电导率较低，不能满足锂离子传输的需要；其次作为纯有机物，材料的热稳定性以及机械性能还有待进一步提高。

无机材料被广泛应用于PEO的改性研究中，用于构成复合固体电解质的无机填料主要有Al₂O₃、ZnO、BaTiO₃、分子筛、蒙脱土等。文献(1)Solid State Ionics，2003，156：1-2中，Chu等人把具有六方孔道结构的介孔材料MCM-41引入到PEO-LiClO₄体系中，所获得的复合固体电解质的机械性能和离子电导率均得到显著改善。

水滑石，又称层状双羟基复合金属氧化物(Layered Double Hydroxides，简称LDHs)，是一种典型的阴离子型层状化合物，LDHs可以进行层板剥离，剥离后的水滑石纳米片(LDHNS)可以用于插层材料的制备以及作为无机填料填充到有机材料中，有着广阔的应用前景。在文献(2)Chem.Commun.，2002，15：60中，O’Leary等人制备得到LDHs/poly-HEMA纳米复合材料。研究表明LDHs是以单层层板均匀填充到poly-HEMA中，而且LDHs/poly-HEMA复合材料的热稳定性比poly-HEMA有显著的提高。

但将水滑石纳米片LDHNS与导电聚合物PEO进行复合，破坏PEO晶体的有序排列，降低其结晶度，在提高PEO的热稳定性的基础上同时提高其离子电导率和锂离子迁移数还没有相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的无机/有机纳米复合固体电解质及其制备方法。该无机/有机纳米复合固体电解质具有良好的热稳定性，较高的室温电导率及较大的锂离子迁移数，可以用作固态锂离子电池的电解质。

本发明提供的无机/有机纳米复合固体电解质是由聚氧化乙烯PEO、高氯酸锂LiClO₄及水滑石纳米片LDHNS复合而成，其化学组成通式为PEO/LiClO₄/LDHNS，各组分的质量分数分别为54～91％、8～16％和1～30％。其中水滑石纳米片LDHNS的化学组成通式为[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+，M²⁺代表二价金属离子Mg²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Fe²⁺、Co²⁺中的任何一种，较佳的为Mg²⁺；M³⁺代表三价金属离子Al³⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、V³⁺、Co³⁺、Ga³⁺、Ti³⁺中的任何一种，较佳的为Al³⁺；x+为水滑石纳米片LDHNS所带正电荷。x为三价金属离子M³⁺的摩尔分数，其取值范围为0.2≤x≤0.4。

将聚氧化乙烯PEO、高氯酸锂LiClO₄及水滑石纳米片LDHNS按一定质量比例在水溶液中共混，然后蒸发掉溶剂就可以得到PEO/LiClO₄/LDHNS复合固体电解质。具体工艺步骤为：

A.水滑石纳米片LDHNS溶胶的制备