[发明专利]一种应用于电池的柔性固态锂离子导体及其制备方法

说明书

本发明提供一种柔性固态锂离子导体及其制备方法，属于能量存储与转换材料技术领域。所述的柔性锂离子导体至少包含两种含有锂离子的组分，其中：一个组分是无机的或有机的锂盐，另一组分是聚合物，主链上具有醚氧键、碳氮单键、碳氧双键或硅氧键的至少一种，并含有以离子键配位的锂离子。本发明的固态锂离子导体是具有塑性的柔性体，室温离子电导率10^‑4S/cm，锂离子迁移数0.4。本发明的柔性固态锂离子导体应用于包括锂离子电池、金属锂电池、锂硫电池和锂空气电池在内的固态电池中，由于具有高锂离子电导率、高的抗拉强度和一定的塑性变形能力，可作为粘结剂引入电极，或同时作为固态电解质，呈现优异的界面稳定性和循环寿命。

技术领域

本发明属于能量存储与转换材料技术领域，特别涉及一种柔性的固态锂离子导体和制备方法，及其作为粘结剂和电解质在电池中的应用。

背景技术

锂离子导体是可传导锂离子而电子绝缘的物质，在锂离子电池、金属锂电池、锂硫电池和锂空气电池中锂离子传导的重要媒介，是保障电池正常工作的关键材料。目前，普遍采用的锂离子导体是液态的，发挥液态体系中锂离子迁移速率快、电导率高（≥10^-3 S/cm）的优势，并且液态锂离子导体具有流动性、能够浸润多孔电极，从而在电池中构建锂离子传导的连续通道，因此液态的锂离子导体在能量存储和转换装置中应用成熟。但是，液态锂离子导体的应用限制了电池能量密度的进一步提高以及电池形状的灵活设计，尤其在半开放和全开放的锂空气电池中液态锂离子导体的挥发干涸直接导致电池失效。而且，更为严重的是由此带来了安全隐患，例如挥发燃烧、泄露造成爆炸等事故。固态锂离子导体不仅能克服液态体系的缺点，而且具有塑性的密度较低的固态锂离子导体可制备灵活和结构韧性优异，保证了电池设计的多样化，大大降低制造成本，提高锂离子电池的能量密度。因此，柔性固态锂离子导体被认为是一类最有希望突破更安全可靠更高能量密度电池开发的重要材料。

目前，固态锂离子导体往往是刚性的，缺乏塑性变形能力。在现有技术中，普遍是向有机锂盐和无机锂盐等固态锂离子导体中混合一定聚合物来增加柔性，但在增加聚合物含量的同时，无法兼顾体系的锂离子电导率、锂离子迁移数以及塑性形变能力等性能。这些性能与固态锂离子导体在聚合物中的解离和迁移直接相关，并由固态锂离子导体和聚合物的种类以及两者之间的相互作用所决定。除有机锂盐和无机锂盐之外，锂单离子导体也是固态锂离子导体，而且一些单离子导体是聚合物，但是目前单离子导体聚合物的电导率普遍较低，室温离子电导率在10^-5～10^-8S/cm范围内。Geiculescu等[Jounal ofelectrochemical Society, 2004, 151(9): A1363-1368]合成含有双全氟烷基磺酰亚胺阴离子结构单元的锂单离子导体，即使与PEO共混室温电导率仍低至10^-7S/cm； Bouchet和Armand等[Natrue Material，2013，12: 452]合成了聚合物锂单离子导体P(STFSILi)-b-PEO-b-P(STFSILi)，60℃下电导率约为1.3×10^-5S/cm。专利ZL201310302904.5中提出的基于聚乙烯醇缩甲醛或其同系物的全固态聚电解质薄膜的室温离子电导率达到10^-6 S/cm。因此，目前亟需发展同时具备高锂离子电导率、高锂离子迁移数、高机械强度和高塑性的锂离子导体材料，为高能量密度和高安全性锂离子电池、金属锂电池、锂硫电池和锂空气电池的设计和发展提供关键材料。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种柔性固态锂离子导体，同时具备高锂离子电导率、高锂离子迁移数、高机械强度和高塑性，以及作为电极粘结剂和电解质在电池中的应用。

本发明提供的一种柔性固态锂离子导体包括至少以下两种均含有锂离子的组分：锂盐和聚合物。所述的锂盐是有机锂盐，具有低于515 kJ/mol的结合能。所述的聚合物具有通式结构（1）：

（1）