[发明专利]纳米复合凝胶电解质、锂二次电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米复合凝胶电解质、锂二次电池及其制备方法，该凝胶电解质是在液体电解质中引入疏水改性纳米粒子，通过疏水改性纳米粒子及其表面改性分子与电解液溶剂分子间的氢键作用形成三维网络使液体电解质凝胶化。该凝胶电解质的离子电导率与同类型电解液接近，约10^‑3 S/cm。疏水改性纳米粒子的加入可有效提高电解质的锂离子迁移数，并且降低电解液与锂金属间的界面阻抗。此外，与同类型纯电解液相比，该凝胶电解质与锂金属电极间有更好的兼容性及循环稳定性。该凝胶电解质可通过直接涂布或涂层溶胀的方法复合到隔膜上，制备过程简单，便于生产。

技术领域

本发明涉及锂金属二次电池领域，具体涉及一种纳米复合凝胶电解质、锂二次电池及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，环保节能越来越受到人们的关注。锂离子电池因具有较高的能量密度，较长的循环寿命和较低的环境影响成为最受欢迎的化学能源之一。锂离子电池对人们的日常生活产生了深远的影响，商业化使用的碳负极锂离子电池现已基本接近其理论容量，难以满足便携电子设备、电动汽车和大规模能量存储等方面越来越高的应用要求。因此，仍然迫切需要能量密度更高、安全性更高的电池。

金属锂具有最大的理论能量密度（3860 mAh/g）和最低的电化学势（相对于标准氢电极为3.04 V）。因此，锂金属电池是最具有潜力的下一代储能装备之一，能够满足高耗能设备的需求。但是，当把锂金属直接作为电池负极使用仍然存在较大问题。这些问题包括：循环和倍率性能较差，安全性难以保障。其主要原因是锂金属在目前常用的电解液中极不稳定，在高倍率下的大极化和强电场导致枝晶生长，常用的隔膜力学强度较低容易被刺穿，因此会造成一系列的安全性问题。而用具有较高力学强度的固态电解质替代液态电解质不仅克服了液态电解质的不足，也为开发新的化学电池提供了可能性。然而，固态电解质与电极之间接触较差，会产生较大界面电阻，这不利于发挥固态电解质的性能。

发明内容

本发明针对以上问题，提供纳米复合凝胶电解质及其锂二次电池及其制备方法，该凝胶电解质有高的离子电导率、与正负极相容性好、能有效提高锂电池循环寿命，纳米复合凝胶可降低固态电解质与电极间的界面阻抗。

实现本发明的技术方案是：一种纳米复合凝胶电解质，纳米复合凝胶电解质由疏水改性纳米粒子和电解液组成，纳米复合凝胶电解质中疏水改性纳米粒子的质量分数为3-30%，用于间隔在电池隔膜和正、负极之间。

所述疏水改性纳米粒子为纳米Al₂O₃、纳米SiO₂、纳米ZnO、纳米SnO₂或纳米TiO₂的至少一种，所述疏水改性纳米粒子的尺寸为5-500 nm。

所述疏水改性纳米粒子利用硅烷偶联剂对纳米粒子进行改性，所述硅烷偶联剂为六甲基二硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、二甲基硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、一甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。

改性方法为：将纳米粒子与硅烷偶联剂超声分散于乙醇中，纳米粒子及硅烷偶联剂在乙醇中的质量分数分别为1~10%和1~15%，60~90 ℃条件下搅拌3~12 h，使用离心或过滤方式分离产物，用乙醇洗涤产物，最后真空干燥。

所述电解液包括锂盐和有机溶剂Ⅰ，所述锂盐为LiClO₄、LiPF₆、LiOH、LiTFSI、LiFSI或LiFNFSI的一种或几种；所述有机溶剂Ⅰ为碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯或碳酸甲丙酯中的一种或几种。

所述锂二次电池包括正极极片、负极极片、隔膜和纳米复合凝胶电解质，所述纳米复合凝胶电解质由疏水改性纳米粒子和电解液组成，用于间隔在电池隔膜和正、负极之间。