[发明专利]一种固体电解质复合材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种固体电解质复合材料及其制备方法和应用。本申请的固体电解质复合材料，由聚合物基底、锂盐和掺杂物复合而成；其中，聚合物基底为聚环氧乙烷或其衍生物；掺杂物为具有羟基吡咯烷酮结构的聚合物。本申请的固体电解质复合材料，通过在PEO或其衍生物的固体电解质体系中添加具有羟基吡咯烷酮结构的聚合物作为掺杂物，有效的提高了固体电解质复合材料整体的导电性，改善其电子传输性能，为制备高品质的固态锂电池奠定了基础。并且，本申请的固体电解质复合材料，原材料成本低、易获取，制备方法也简单易操作，特别适合于大规模的批量化生产。

技术领域

本申请涉及固态电池领域，特别是涉及一种固体电解质复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着相关研究的飞速发展，锂离子电池已经进入了我们生产、生活的很多领域，诸如可穿戴电子设备电源、汽车动力系统、能源贮存等。作为锂离子电池的重要组成的电解质，对电池性能影响至关重要；而长期以来使用的液体或凝胶电解质在电池使用过程中会放热和放出可燃气体，安全性和稳定性都存在隐患。相比之下，新兴研究方向的固体电解质不仅可以解决安全性问题，还能够对界面枝晶有改善，因而有着广阔的研究前景。

固体电解质的分类方式有很多，一般分为无机陶瓷电解质和有机聚合物电解质，其中后者制备简单、成本低廉且有着很好的可加工性能因而更受欢迎。有机聚合物电解质又可以根据组成成分分为纯固态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质、复合聚合物电解质，其中复合聚合物电解质又可以根据复合的成分、方法和微观结构等进行进一步的细分。从聚合物电解质的发展来看，早期研究人员探索了多种聚合物基底与塑化剂的复合，接着在此基础上进行了一系列性能优化，引入了多种改性方法和复合体系，但至今未能实现成本和性能的双赢。

聚环氧乙烷(缩写PEO)及其衍生物是目前公认的最适合制备全固态电解质的复合基质。PEO虽然本身导电性差，但链段中有大量带孤对电子的氧，有着很强的配位能力，与锂盐有很好的相容性，多种元素掺杂改性时稳定性也很好。PEO锂盐复合物导电机理主要有两种：一是一些6:1的晶态复合物，如PEO₆-Li-AsF₆，中PEO链形成锂离子和阴离子分离的通道；二是非晶相中PEO链的运动能力较强，从而带动醚氧原子上的锂传递来导电；聚合物电解质多基于后一原理进行共聚、接枝、掺杂等改性。但现有的改性方法设计复杂，原料成本高、电解质材料制作流程复杂，不具备广泛应用的能力。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的固体电解质复合材料及其制备方法和应用。

本申请采用了以下技术方案：

本申请的一方面公开了一种固体电解质复合材料，该固体电解质复合材料由聚合物基底、锂盐和掺杂物复合而成；其中，聚合物基底为聚环氧乙烷或其衍生物；掺杂物为具有羟基吡咯烷酮结构的聚合物。

需要说明的是，本申请的关键在于向PEO或其衍生物的固体电解质体系中掺杂具有羟基吡咯烷酮结构的聚合物，通过这类聚合物的掺杂，可以有效的改善PEO或其衍生物固体电解质体系的导电性，从而得到本申请的具有高导电性的固体电解质复合材料，本申请的一种实现方式中，本申请的固体电解质复合材料其室温电导率达到5.0×10^-3S/cm，接近同等条件下凝胶电解质的水平。

还需要说明的是，在PEO或其衍生物的固体电解质体系中，PEO锂盐复合物常温下有三种相，即PEO晶相、复合晶相和无定型相，其中，由于PEO链较柔顺，易结晶，使得三种相中，导电性好的无定型相占比很低。本申请的固体电解质复合材料，将具有羟基吡咯烷酮结构的聚合物掺入PEO中，由于具有羟基吡咯烷酮结构的聚合物刚性较强，掺入后不利于PEO结晶，增加了无定型相的占比；同时，聚合物所带羟基与PEO上的氧相互作用，起到交联效果，可与阳离子有配位辅助传递，从而提高导电性。