[发明专利]一种薄膜型复合固体电解质及其制备方法和全固态锂电池

说明书

本发明公开了一种薄膜型复合固体电解质及其制备方法和全固态锂电池。本发明的薄膜型复合固体电解质，其由双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚@锂离子电池隔膜形成的材料，以双三氟甲基磺酰亚胺锂作为导锂剂，聚氧化乙烯作为聚合物兼粘结剂，四乙二醇二甲醚作为塑化剂；其制备方法如下：在惰性气氛保护下，以双三氟甲基磺酰亚胺锂、聚氧化乙烯和四乙二醇二甲醚作为前驱体，溶解于易挥发的乙腈溶剂中，加热并磁力搅拌配置均匀的稀溶液，均匀涂布于锂离子电池隔膜两面，最后干燥。本发明的薄膜型复合固体电解质具有室温下离子电导率高、电化学窗口宽、装配成全固态锂电池对正负极电阻低等诸多优点，适用于多种正极材料的锂电池。

技术领域

本发明涉及锂电池用固体电解质材料领域，具体地说是一种薄膜型复合固体电解质及其制备方法和相应的全固态锂电池。

背景技术

自从1991年首次商业化以来，锂离子电池凭借着较高的能量密度，在现代生活中扮演了越来越重要的角色。经过近三十年的发展，其能量密度已经逐渐的接近理论上的天花板，进一步的提高不仅很困难，而且往往是以牺牲安全和循环稳定性为代价。目前的锂离子电池将正负极材料用到极致，比能量密度可以达到300Wh/Kg的高度，具体而言，负极使用硅碳复合材料，正极使用超高镍的三元正极材料。但是，这样的锂离子电池的循环稳定性不仅很差，而且非常的不安全，这是由使用的材料本性所决定的，非常难以克服。随着新能源电动汽车的兴起，现有的锂离子电池已经无法满足其高能量及高功率密度的要求。另外，现有的锂离子电池需要使用大量的易燃性以及挥发性的有机电解液，当大量的锂离子电池电芯组装在电动汽车里，存在着严重的安全隐患，也发生了多起爆炸事故。

根据我国《节能与新能源汽车技术路线图》，2020年电动汽车使用的动力电池能量密度达到300Wh/Kg；到了2030年，能量密度要达到500Wh/Kg，任务非常的艰巨。如何大幅度的改善电池的比能量密度，同时兼顾安全性？目前电池界的共识是彻底的革新锂离子电池的结构以及相应的材料。事实上，这些年先后涌出了多种概念性的锂电池，主流的分别为锂金属-空气(氧气)电池、锂金属-单质硫电池、锂金属全固态电池，这几种潜在的下一代电池不约而同的使用锂金属作为负极材料，而不是现有的石墨材料，原因在于锂金属具有高比容量(3860mAh/g)和纯粹的锂源两大优势。事实上，锂金属作为负极材料是一种非常古老的和朴素的设想，上世纪七十年代的商业化可充性锂电池中的负极材料正是锂金属箔片。然而，锂金属作为负极在上世纪八十年代最终被工业界废弃，根本原因在于其很不安全，因为当锂金属回复过程中会以针状的枝晶方式沉积，容易刺穿隔膜，最终导致电池的内部短路而发生严重的安全事故。从这一角度出发，目前的锂金属-空气(或者其他气体)和锂金属-单质硫电池都很难走出实验室而实现真正的商业化。换句话说，如果使用了锂金属作为负极，那么柔软的非刚性的电解质就不能够使用。目前而言，使用锂金属负极和固态电解质的全固态电池，是下一代可商业化的高比能量电池的最佳候选，因为坚硬的固态电解质完全可以抑制锂枝晶的形成。理论上，使用锂金属负极的全固态锂电池的单电芯的能量密度可以轻松突破400Wh/kg。开发一种固体电解质，能适用于商业化全固态锂电池中，将具有广阔的应用前景和重大的实际意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有锂电池存在的问题，提供一种能适用于商业化全固态锂电池的薄膜型复合固体电解质。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种薄膜型复合固体电解质，其由双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚@锂离子电池隔膜形成的材料，以双三氟甲基磺酰亚胺锂作为导锂剂，聚氧化乙烯作为聚合物兼粘结剂，四乙二醇二甲醚作为塑化剂。

本发明的薄膜型复合固体电解质，其离子电导率高、电化学窗口宽；对正负极有良好的润湿效果，对锂金属负极循环稳定；适用于多种正负极材料的锂电池，如锂离子电池、锂金属-硫电池、锂金属-磷酸铁锂电池、锂金属-空气电池等。

进一步地，所述双三氟甲基磺酰亚胺锂与聚氧化乙烯的单体摩尔比为1:5-1:30。