[发明专利]以聚丙烯腈为主体的双层固态电解质复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种以聚丙烯腈为主体的双层固态电解质复合膜及其制备方法和作为电解质在制备锂硫凝胶电解质电池中的应用，制备方法包括：将PAN，PEO，LATP溶解在DMF中，搅拌后，用刮刀刮涂在玻璃板上，干燥得到第一层电解质；将PAN，LATP溶解在DMF中，搅拌后用刮刀刮涂在第一层电解质上得到第二层电解质；真空干燥，即得到以聚丙烯腈为主体的双层固态电解质复合膜。将所得的材料直接切片做锂硫电池的电解质。该方法制备过程简单，产量大，成本低，可以大面积生产，易于实现工业化。本发明制备出的双层固态电解质复合膜材料应用于锂硫全电池中可以抑制穿梭效应，提高电池容量，具有良好的循环性能。

技术领域

本发明涉及电解质材料技术领域，具体涉及一种以聚丙烯腈为主体的双层固态电解质复合膜及其制备方法和作为电解质在制备锂硫凝胶电解质电池中的应用。

背景技术

目前，商用锂离子电池以LiFePO₄、LiC_OO₂和LiMn₂O₄等为正极，碳材料为负极。锂离子电池在便携式电子设备和电动汽车上有广泛的应用。然而，由于能量密度低(300Wh kg^-1)和潜在的安全问题给锂离子电池提出了更大的挑战。另一方面，锂硫电池有高的理论容量(1675mAhg^-1)和能量密度(2600Whkg^-1)，这些性能是传统锂离子电池的5-10倍。另外，硫是丰富，无毒和环境友好的元素，所以它吸引了人们的大量研究。但是，在锂硫电池成功商业化之前，锂硫电池的一些技术挑战，例如：1):锂负极的钝化；2):硫的本征电导率低；3):中间多硫化物的“穿梭效应”必须得以解决。通常通过1):保护锂金属负极；2):用导电材料改善硫正极；3):制备固态电解质取代商业化的锂离子电池隔膜可以部分地解决上述问题。其中，最有前途的策略之一是制备固态电解质来取代商业化的锂离子电池隔膜，因为它们不仅可以减少容量衰减，而且可以大大降低燃烧等安全性问题。其中，聚合物电解质由于电化学性质稳定，电极界面相容性好，制备方法简单，能够大规模生产等优点，有望成为未来商业化的固态电解质。

其中，聚丙烯腈在室温下具有优良的机械性能和超高的离子电导率10^-3Scm^-1。但是，纯PAN(聚丙烯腈)中的-CN基团可以与锂负极发生反应，在锂表面形成钝化层，使电化学性能劣化。但是通过与其他无机或聚合物材料的混合可以有效地削弱这一问题。聚氧化乙烯(PEO)具有低的玻璃化转变温度，低的晶格能，高的溶解碱金属盐的能力，所以在PAN中加入适量的PEO(聚氧化乙烯)可以解决PAN的负极钝化问题。此外，无机固态电解质LATP[Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₃)₄]的加入可以有效减少聚合物的结晶区，促进链段运动，提高离子电导率。迄今为止，聚合物与无机材料的合理组合可以避免其致命弱点并充分地利用各自的优点。

发明内容

本发明的目的在于针对锂硫电池中聚合物电解质离子电导率低、机械性能差、腈基的负极钝化等问题，提供了一种以聚丙烯腈为主体的双层固态电解质复合膜及其制备方法和作为电解质在制备锂硫凝胶电解质电池中的应用，制备具备高离子电导率，高机械性能和良好的界面接触性能的电解质。得到的电解质作为锂硫电池电解质时，具有良好的电化学性质和循环性能，并有效阻止了多硫化物的穿梭。