[发明专利]复合电解质膜及其制备方法以及含该膜的全固态锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体地，涉及复合电解质膜及其制备方法以及含该膜的全固态锂电池。

背景技术

锂离子电池具有电压高、能量密度高、比容量大、污染小等优点，从而在电子产品和电动车等领域被广泛的应用。目前市场上普遍使用的锂离子电池，其电解质主要采用液态有机电解质，液态有机电解质可能产生泄露、易燃以及易爆等问题，使锂离子电池在使用过程中产生安全隐患。固体电解质由于自身独特的物理、化学与电化学性质，可在很大的程度上杜绝短路与爆炸等安全事故，同时固体电解质一般具有良好的热稳定性、电化学稳定性及机械加工性。

然而，目前的复合电解质膜及其制备方法以及含该膜的全固态锂电池仍有待改进。

发明内容

本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：

发明人发现，目前的全固态锂电池所使用的固体电解质膜，虽然能够解决液态有机电解质存在的安全隐患，但仍然普遍存在着室温电导率不高、循环性能不稳定、制备方法复杂、不易加工、不利于工业化生产等问题。发明人经过深入研究以及大量实验发现，目前全固态锂电池普遍使用无机化合物固态电解质和聚合物固态电解质两大类。一方面，由于无机固态电解质(例如，锂镧锆氧基氧化物)脆而硬，强度虽然很好，但是没有弹性，不易加工，导致与电极接触界面的阻抗大，并且电极内部锂离子传输问题也难以解决，所以目前不利于工业化生产，难以商用。另一方面，对于聚合物固态电解质，虽然具有良好的可加工性能以及与电极之间具有良好的相容性，例如聚氧化乙烯(PEO)基体与碱金属盐形成的聚合物电解质在80摄氏度以上可以达到高的离子电导率(大于10^-4S/cm)，但在室温下，由于其具有较高的结晶相、有限的溶解能力和较差的链断运动能力，导致电导率显著下降，不能满足实际的应用要求。针对以上全固态电解质中存在的问题，综合无机固态电解质和聚合物固态电解质的优缺点，目前本领域技术人员研究了包含这两者的复合电解质，例如，在聚合物电解质基体中加入陶瓷电解质填料。这种复合电解质相比于单一的无机固态电解质或者聚合物固态电解质，虽然性能有所改善，但是仍然无法满足实用的要求。因此，进一步综合无机固态电解质和聚合物固态电解质的优缺点，制备并得到一种复合电解质膜，使其电导率、电化学稳定性、热稳定性、力学性能方面都表现出优异的性能，并且制备简便，从而可以满足实用要求以及工业化生产的要求，成本降低，为全固态锂电池的应用提供必备条件。

本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种复合电解质膜。该复合电解质膜包括：基体，所述基体包括PVDF以及PAN的至少之一；锂盐；以及锂镧锆氧基氧化物。由此，该复合电解质膜的室温电导率高、电化学性稳定、热稳定性好、力学性能好、易加工、制备简单，并且成本降低，有利于工业化生产。

根据本发明的实施例，所述基体的平均分子量为10-40万。由此，可以进一步提高该复合电解质膜的性能。

根据本发明的实施例，所述锂镧锆氧基氧化物为立方相锂镧锆氧基氧化物；所述锂镧锆氧基氧化物的化学组成为Li_7-xLa₃(Zr_2-x,M_x)O₁₂，其中，M＝Ta、Nb,x＝0-2。由此，该复合电解质膜的室温电导率高、热稳定性好、力学性能好。

根据本发明的实施例，基于所述基体与所述锂盐的总质量，所述锂盐的含量为10wt％-60wt％。由此，可以进一步提高该复合电解质膜的性能。

根据本发明的实施例，基于所述基体与所述锂镧锆氧基氧化物的总质量，所述锂镧锆氧基氧化物的含量为5wt％-20wt％。由此，可以进一步提高该复合电解质膜的性能。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种制备前面所述的复合电解质膜的方法。该方法包括：将所述基体以及所述锂盐溶于溶剂中，以便形成混合溶液；向所述混合溶液中加入所述锂镧锆氧基氧化物，以便形成浆料；将所述浆料涂覆在基片上，以便形成湿薄膜；将所述湿薄膜真空干燥，去除所述溶剂，以便形成所述复合电解质膜。由此，可以简便的得到复合电解质膜。所得到的复合电解质膜室温电导率高、电化学性稳定、热稳定性好、力学性能好、易加工、制备简单，并且成本降低，有利于工业化生产。

根据本发明的实施例，所述溶剂包括DMF、NMP以及丙酮的至少之一。由此，可以进一步提高该复合电解质膜的性能。