[发明专利]一种高盐浓度固体电解质及应用

说明书

技术领域

一种高盐浓度固体电解质及其在电池中的应用。

背景技术：

高比能储能器件的需求使金属二次电池的研究受到追捧，其中基于金属锂负极的电池因其低的密度与高的理论容量而备受关注。而发展以金属锂为负极的二次电池受到锂枝晶的限制。此外，传统的液态电解质对水分敏感、存在泄漏的风险，使其安全性受到质疑。因此，发展固态金属电池具有更高的安全性，增强电池制造上的灵活性，增强实用性。

考虑到成本与电解质的离子传导率(通常1mol L^-1时达到峰值)，现有的电解质锂盐含量都较低，在液体电解液通常小于2mol L^-1，固体电解质中锂盐含量与导离子官能团的摩尔比小于1:10，如基于聚氧化乙烯的固体电解质，且通常需要加入增塑剂以提高其室温离子电导率。此外，如果这类电解质未经过改性，电化学稳定窗口无法满足4V以上正极材料的使用要求。常用碳酸酯类电解液(约1mol L^-1)中大量可流动的溶剂分子与金属锂在热力学上的不稳定性降低了电池循环过程中锂的利用率，且锂的沉积与析出不均一，枝晶生长明显。而已有的固体电解质侧重导离子单元的设计，所用锂盐的含量都是在前者的基础上进行优化，未进行高锂盐浓度(3mol L^-1以上)固体电解质的研究开发。

基于上述问题，制备高盐浓度固体电解质以突破常规盐浓度电解液中电化学稳定窗口和抑制枝晶的生长，从而提高电池的安全性能。

发明内容

本发明提出了一种高盐浓度固体电解质及其应用。

所述的高盐浓度固体电解质包括含有离子传导单元的化合物或者其混合物、锂盐以及溶剂，其中锂盐在溶剂中的浓度为3～17mol L^-1。

所述的含有离子传导单元的化合物选自导离子的聚合物，无机物及其混合物。

所述的含有离子传导单元的化合物选自聚醚类，聚碳酸酯类、聚醚-碳酸酯类、聚离子液体类及其混合物。

所述的含有无机离子传导单元的化合物选自LISICON型的Li₃PO₄，NASICON型的Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃，GARNET型的Li₇La₃Zr₂O₁₂及其混合物。

优选，所述离子传导单元中含有丙烯碳酸酯单元，更优选，所述导离子聚合物为含有丙烯碳酸酯单元和另外的聚醚传导单元或者无机离子传导单元，还优选同时含有丙烯碳酸酯单元、聚醚传导单元和无机离子传导单元。最优选，本申请的申请人预料不到地发现，所述导离子聚合物选自聚(氧化乙烯-丙烯碳酸酯)-Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃或聚(氧化乙烯-丙烯碳酸酯)-Li₇La₃Zr₂O₁₂时，放电比容量尤其高。

所述锂盐包括无机锂盐和有机锂盐，包括能溶于溶剂并产生离子的任何电解质盐，可以为四氟硼酸盐、六氟砷酸锂、高氯酸锂、三氟甲磺酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、二(五氟乙磺酰基)亚氨锂、三(三氟甲磺酰基)甲基锂、四氯铝酸锂、六氟硅酸锂中的一种或几种的混合物，优选双(三氟甲基磺酰)亚胺锂；

优选，所述溶剂可为水或者非水溶剂，例如内酯溶剂、碳酸酯溶剂、醚类溶剂、腈类溶剂、砜类溶剂、磷酸类、磷酸酯类溶剂、离子液体类溶剂，单独使用或者混合使用所述溶剂中的两种或者两种以上；

本发明还提供所述高盐浓度固体电解质的制备方法，包括如下步骤：首先配置锂盐浓度为3－15mol/L^-1的溶液，然后将含有离子传导单元的化合物：锂盐：粘结剂按体积摩尔浓度比为1:3-25:4－10(优选1:7-15:4－10)混合均匀，经刮涂或其他方法铺展后除去溶剂得到的高盐浓度固体电解质。

本发明还提供所述高盐浓度固体电解质的用途，用于碱(土)金属二次电池，所述电池还包括正极材料和负极材料，所述正极材料可为钴酸锂及其复合物，磷酸铁锂及其复合物，锰酸锂及其复合物，三元正极材料及其复合物，富锂材料及其复合物组成；所述负极为锂、钠、钾、镁、钙、锌、铝、铟及其对应的合金，或者为可进行金属离子插层的材料。