[发明专利]一种锂硫电池全固态电解质的制造方法

说明书

所属领域

本发明涉及一种锂硫电池全固态电解质及其制备方法，属于新能源材料领域。

背景技术

随着人类社会的发展，能源短缺、环境污染等问题的日益突出，人们对化学电源的认识和要求也越来越高，促使人们不断探索新的化学电源为主的能量储存系统。近几十年来，以金属锂为基础的电池引领了高性能化学电源的发展方向。随着锂离子电池的成功商业化，世界各国都在加紧开展车用锂离子动力电池的研究。但由于能量密度、安全性、价格等因素，常规锂离子电池如钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂电池作为动力源无法满足电动汽车的要求。

锂硫电池是极具发展潜力和应用前景的高能量密度二次电池。它具有高

比容量和高能量密度以外，硫作为正极活性物质在来源、成本和环境友好方面表现出不可比拟的优势，目前，锂硫电池存在循环性能差、倍率性能需要进一步提高等问题。而锂硫电池存在的两个主要的问题在于一方面活性物质硫材料本身和最终放电产物Li₂S是工业一级和离子的绝缘体；另一方面，放电过程中的中间产物多硫化物易溶解于电解液中，这些会造成活性物质的不可逆损失和容量衰减。为此，如何抑制多硫化物的扩散、提高硫正极循环过程中的导电性是硫基全固态电解质的研究重点。

近几年学术界主要围绕抑制多硫化物扩散和改善全固态电解质导电性两个方面开展研究。在材料结构上，首先考虑是将单质硫吸附在多孔材料骨架上，例如将多孔炭如活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳材料与硫复合，防止反应过程生产的多硫化合物溶解到电解液中，通过电解液扩散，这样有助于减少穿梭效应和自放电现象。这些新型材料结构或多或少提高了电极的循环稳定性。但传统的多孔炭材料一般比表面积较小，孔径尺寸单一，结构一致性差、孔径难以调控，材料的吸附活性物质硫能力有限，造成制备的复合全固态电解质中的硫含量较低、分布不均匀，导电性能差，装配成电池循环数圈后，仍然有大量活性物质会从炭结构孔道中溶解，造成活性物质的损失，锂硫电池能量密度很难进一步提高。

本领域迫切需要开发一种兼具良好的导电性和层次孔结构的锂硫电池用全固态电解质，抑制多硫化物的扩散、提高硫正极循环过程中的导电性，进而提高全固态电解质的离子传输能力和导电性，可有效降低充放电极化，减小电池内阻，提高锂硫电池的大倍率性。

另外大部分的高分子化合物是电绝缘体，但自报道某种高分子材料，例如聚环氧乙烷(PEO)与诸如锂盐那样的电解质盐形成结晶性的络合物而显示高的离子传导性以来，以PEO或其他的聚环氧烷、还有同样在分子中具有离子解离基的聚乙烯亚胺或聚磷腈等作为基质的高分子固体电解质的研究正引起人们的注意。特别是报道了许多以聚环氧烷作为基质的成分的高分子固体电解质的研究，最近，室温附近的离子传导度被改进至10^-4～10^-6S/cm。但是，为了得到高离子传导性，就需要提高基质中的聚环氧烷的含量，这反而显著地降低电解质薄膜的强度或耐热性，因而得到有实用性的固体电解质是困难的，再有如果在低温，例如0℃以下，离子传导性极端地降低也是问题作为高分子固体电解质，提出了以通过活性阴离子聚合使甲氧基聚乙二醇单甲基丙烯酸酯(A)和苯乙烯(B)共聚的ABA型三嵌段共聚物作为基质基材的高分子固体电解质，但是，作为成分六的甲氧基聚乙二醇单甲基丙烯酸酯的均聚物，尽管是高分子量物质，但在室温是液状，为了以A-B-A型共聚物作为固体电解质的基质基材，所以成分A的含量有限制，这意味着作为锂离子的扩散输送空间的PEO区域结构的形状和尺寸有限制，实际40℃时的离子传导性许多不满足10^-6S/cm。