[发明专利]一种应用于锂电池的宽电位窗口的多级结构复合固态电解质

说明书

本发明公开了一种耐高电压多级结构复合固态电解质及其制备方法，以及其在固态锂电池中的应用。其特征在于锂电池采用了多级结构不同组分的固态电解质，负极侧的电解质采用与电极界面相容性优异的聚合物电解质，正极侧的电解质采用耐高电压的聚合物电解质，中间层采用离子电导率高的聚合物电解质或者无机电解质。多级结构固态电解质结合了不同组分的优点，具有机械性能高、离子电导率高、电化学窗口宽、与电极的界面相容性优异、能够抑制锂枝晶的生长等优点。同时，相比于传统的液态锂离子电池，采用多级复合固态电解质组装的电池具有更高的安全性能以及能量密度。

技术领域

本发明涉及电池技术，具体的说是一种具有多级结构的复合固态电解质及其制备方法，以及其在锂电池中的应用。

背景技术

目前大规模商业化的锂离子电池普遍采用有机碳酸酯基的液态电解液。普遍存在着漏液、燃烧、爆炸等危险。因此，安全性问题已经成为制约锂离子电池发展的关键因素。以固态电解质取代原有的液态电解液能够有效地提高锂离子电池的安全性能。采用固态电解质的锂离子电池安全性能好、能量密度高、工作温度宽，已经成为研究热点之一。同时，固态电解质具有较高的杨氏模量，能够抑制锂枝晶的生成，降低了锂离子电池内短路的风险。

目前为止，固态电解质大都采用单一组分作为电解质，虽然能够提高锂离子电池的安全性能和能量密度，然而，单一电解质往往存在着一些弊端。聚氧乙烯(PEO)基体作为研究最为广泛的电解质基体之一，其离子电导率较低，难以满足锂离子电池在室温下的使用。201410378107.X和200680012628.7公开了含PEO电解质的制备，尽管离子电导率有所提高，然而，PEO分解电压电化学稳定窗口低于4.2 V，难以匹配高电压正极材料。201510078309.7公开了一种聚碳酸丙烯酯(PPC)作为基体的固态电解质，该电解质在室温下具有较高的离子电导率，然而，在低电位下，PPC容易分解成小分子，影响了电池的性能。201410036348.6和201510603965.4分别公开了磷酸盐锂快离子导体材料和石榴石结构陶瓷电解质。无机固态电解质具有较高的离子电导率，可是，其制备工艺以及与电极之间的界面相容性抑制了其在商业化中的应用。

本申请结合不同组分的电解质的优点，设计了一种具有多级复合结构的厚度为1~ 500 μm的固态电解质，正极侧的电解质采用耐高电压的聚合物电解质，如，PVCA，PECA，PMMA，PAN，PMA，负极侧的电解质采用与电极界面相容性优异的聚合物电解质，如PEO，PPO以及他们的共聚物，中间层采用离子电导率高的聚合物电解质或者无机电解质，如PPC，PEC，LLZO，LLZTO，LPS，LGePS，LSnPS。多级结构固态电解质结合了不同组分的优点，具有机械性能高、离子电导率高、电化学窗口宽、与电极的界面相容性优异、能够抑制锂枝晶的生长等优点。同时，相比于传统的液态锂离子电池，采用多级复合固态电解质组装的电池具有更高的安全性能以及能量密度。

发明内容

本申请提供了一种具有宽电位窗口多级复合结构的固态电解质及其制备方法，以及其在锂离子电池中的应用。

为实现上述目的本发明采用的技术方案为：

一种应用于锂电池的宽电位窗口的多级结构复合固态电解质，复合固态电解质为三层结构；负极侧的电解质采用不易发生还原反应的聚合物电解质，正极侧的电解质采用不容易发生氧化反应的聚合物电解质，中间层采用离子电导率高的聚合物电解质或者无机电解质。所述正极侧的聚合物电解质，负极侧的聚合物电解质和中间层的聚合物电解质均包括聚合物和锂盐。