[发明专利]锂离子传导复合材料及由其制备锂离子导体的方法

说明书

一种锂离子传导复合材料，其包含至少一种聚合物和锂离子传导粒子，其中，所述粒子的球度Ψ为至少0.7；并且其中当粒度分布的多分散性指数PI为<0.7时，所述复合材料包含至少20体积％的所述粒子；或者其中当粒度分布的多分散性指数PI在0.7至<1.2的范围内时，所述复合材料包含至少30体积％的所述粒子；或者其中当粒度分布的多分散性指数PI为>1.2时，所述复合材料包含至少40体积％的所述粒子。

技术领域

本发明涉及包含至少一种聚合物和锂离子传导粒子的锂离子传导复合材料，以及由该复合材料制备锂离子导体的方法。

背景技术

近年来，锂离子电池和锂电池已经变得越来越重要，尤其是用于电子装置以及在电动汽车领域，这特别是由于它们的高能量密度、无记忆效应以及它们发生电压降的速率非常慢的原因。锂离子电池和锂电池通常包括一组可充电电池(也称为二次电池)，其用作上述领域的电力存储介质。

锂离子电池或锂电池基本上由三个主要结构单元组成，它们是阳极(负极)、阴极(正极)和非水性电解质，所述非水性电解质布置在两个电极之间，并且在操作(充电或放电)中引起锂离子的移动。在锂离子电池的情况下，阳极通常是基于石墨的，其中在充电期间锂离子嵌入到该阳极中并在放电时从该阳极放出。相反，在锂电池的情况下，所用的阳极包含单质锂。

目前，商购可得的锂离子电池主要使用其中锂盐溶解在有机溶剂中的电解质。然而，这些锂离子电池的缺点在于：在误用或极端载荷的情况下，它们可能会自毁，并且在最极端的情况下，当它们自毁时可能会着火。

为了解决这些问题，近年来研究的一个特别关注点是所谓的固态锂电池，其中液体的、基于有机物的电解质基质被固体取代，该固体仍然是锂导电的。在这种情况下，非常常见地，电池系统中的固态电解质可以在各种位置使用：一方面，可想到使用纯固态电解质作为隔膜—被引入在电极之间，其保护它们免于不希望的短路，从而确保系统整体的功能容量。为此，固态电解质可以作为一个层涂覆至一个或两个电极，或者作为独立的膜集成到电池中。还可想到的是，固态电极与活性电极材料复合。在这种情况下，根据电池是否正在放电或充电，电解质引起相关电荷载流子(锂离子和电子)传输到电极材料以及传输到传导电极或远离传导电极。

原则上，固态电解质可包括聚合物电解质或聚电解质。在前者的情况下—类似于液体电解质—基于锂的导电盐溶解在固体聚合物基质中(为此经常使用聚环氧乙烷)。在第二种情况下，所述及的系统是聚合物的多官能锂盐。两种电解质—聚合物电解质和聚电解质—与基于液体的电解质在通常相对于单质锂具有不足够的化学和电化学稳定性方面类似，并且因此不太适合用于锂电池。然而，备选地，也可能想到使用纯无机固态离子导体作为迄今已经使用的基于有机物的液体电解质的替代。在这种情况下，在关于锂离子电导率方面，特别有希望的是传导锂离子的基于氧化物(例如具有石榴石状结构的锂导电混合氧化物)、基于磷酸盐和基于硫化物的材料。这些材料的某些变体相对于单质锂具有足够的化学和电化学稳定性。因此它们适合用于锂电池。然而，对于这类纯无机固态离子导体的其他代表而言，情况并非如此。因此，必须在每种个别情况下再次单独地考察这样的材料在锂电池中作为固态电解质配置的可能性。锂导电固体的第三种变体由所谓的混合电解质表示：这些包括复合材料，其中将无机的锂离子传导材料的粒子引入到由聚合物电解质或聚电解质组成的锂导电聚合物基质中。某些混合电解质变体同样显示出相对于单质锂的足够的化学和电化学稳定性，因此同样具有用于锂电池的潜力。