[发明专利]固体电解质组合物

说明书

固态电解质包含：聚合物，其可以是离子导电的或不导电的；离子导电无机材料；锂盐；添加剂盐和任选的偶联剂。

背景技术

本发明属于电池技术领域，并且更特别地，属于用于电化学电池中的电解质的固体材料和复合材料的领域。

常规锂离子电池包括正电极(或如本文使用的正极)、负电极(或如本文使用的负极)、电解质和常见的隔膜。电解质一般包括有利于锂离子传输并且特别地使离子能够渗透到电极材料中的液体组分。

相比之下，所谓的固态锂离子电池在其主要电池组分中不包含液体。相对于液体电解质电池，固态电池可以具有某些优点，如安全性的提高，因为液体电解质通常含有挥发性有机溶剂。固态电池通常提供更宽范围的包装配置，因为不像液体电解质一样需要液密性密封。

通常，相对于含有液体电解质的电池，具有固态电解质的电池可以具有多种优点。对于小型电池，如医疗装置中使用的那些，主要优点是总体积能量密度。例如，小型电化学电池通常使用特定的包装以容纳液体电解质。对于典型的0.5mm的包装厚度，仅约60％的体积可以用于电池，而其余部分是包装的体积。随着电池尺寸变得更小，该问题变得更加糟糕。

消除液体电解质有利于备选的、更小的用于电池的包装解决方案。因此，可以实现内部/外部体积的显著增加，从而在相同量的空间中产生更大的储能总量。因此，全固态电池对于需要小型电池的医疗应用是理想的。对于可植入的一次电池应用，该值甚至更大，因为储存的总能量通常限定在体内的装置寿命。

此外，固态电池可以使用锂金属作为负极，从而与通常用于液体电解质锂离子电池的碳基负极相比，显著提高了电池的能量密度。随着重复循环，锂金属可以形成枝晶，其可能穿透常规的多孔隔膜并且导致电短路和失控的热反应。通过以下方式减轻这种风险：使用固体无孔电解质来防止锂枝晶的穿透并且使得能够安全使用锂金属负极，这直接转化为能量密度的大幅增加，而无论正极化学性质如何。

固态锂离子电池中的电解质材料可以是聚合物。特别地，聚(环氧乙烷)(“PEO”)可以用于形成固体聚合物电解质。PEO具有传导锂离子的能力，因为正锂离子被聚合物链上的亚乙基氧基团溶解和/或复合。由PEO形成的固体电解质可以具有结晶和非晶区域，并且据信锂离子优先移动通过PEO材料的非晶部分。通常，随着基于PEO的电解质制剂的变化，可以获得在室温在1x 10^-6S/cm至1x 10^-5S/cm的量级的离子电导率。通常通过在构建电池之前向PEO中添加锂离子盐来配制电解质，这是类似于液体电解质的配制过程。

然而，由于实际限制，固态电池尚未得到广泛采用。例如，虽然聚合物固态电解质材料如PEO能够传导锂离子，但是它们的离子电导率对于实际功率性能是不足的。成功的固态电池需要薄膜结构，这会降低能量密度。但是，能量密度降低的电池的效用有限。

此外，固态电池倾向于在电池的不同固体组分之间具有显著量或程度的界面。这样的界面的存在可能限制锂离子传输并且阻碍电池性能。界面可以出现在(i)电极中的活性物质和电极中的其他组分的结构域之间，(ii)正极和固体电解质之间，和(iii)固体电解质和负极结构之间。差的跨过这些界面的锂离子传输导致电池中的高阻抗以及充电或放电时的低容量。

通常理解聚合物固态电解质具有以下优点：(i)通过标准溶液流延或浆料流延技术较容易地加工；(ii)机械柔性使聚合物与电极表面相符，实现良好的机械顺从性和在循环期间较低的表面接触损失；(iii)利用类似于当前隔膜的固体聚合物膜，较容易投入到现有的锂离子电池制造中。

然而，通常还理解聚合物固态电解质具有以下缺点：(i)较低的电导率，在室温在10^-6-10^-5S/cm的量级；(ii)现有技术的聚合物固态电解质一般由PEO型聚合物组成，其在高电压(例如，大于约4.2V)下的稳定性差；和(iii)常见的聚合物固态电解质实际上形成较柔软的膜，预期其无法阻止锂枝晶穿透。