[发明专利]一种全固态钠离子电池电解质及其制备方法

说明书

本发明提供一种全固态钠离子电池电解质及其制备方法，所述的固态电解质是具有一定组成的高分子聚合物为阴离子、钠离子为阳离子构成的化合物。本发明提供的固态钠离子电池电解质，具有较高的室温离子电导率≥10^‑4S/cm、宽的电化学稳定窗口≥5V(vs. Na/Na⁺)，而且具有优异的热稳定性，高杨氏模量，具备机械柔韧性，作为全固态钠离子电池体系的关键部件使用，显著提高钠离子电池的安全性能、能量密度和组装生产的便利性。

技术领域

本发明属于二次电池固态电解质技术领域，特别涉及一种全固态钠离子电池电解质及其制备方法，为高比能量、高安全性的能量转换和储存系统及器件提供了固态电解质体系。

背景技术

钠离子电池体系由于具有资源丰富、价格低廉、环境友好，以及与锂离子电池相近的电化学性质，近年来受到广泛关注，为电化学储能提供了新的选择。钠元素在地壳中含量排第六位(2.75%)，具有非常高的丰度，且分布广泛。同时，钠与锂具有相似的物理化学性质，钠离子电池与锂离子电池也具有相似的电化学反应机制，因此钠离子电池有望表现出与锂离子电池相当的电化学性能。与锂离子电池相比，钠离子电池具有以下优势：（1）钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；（2）由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液（同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右）降低成本；（3）钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；（4）由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到0V。

同时，基于液态电解质的钠离子电池由于有机溶剂闪点和沸点均较低，易挥发、易燃、易漏液也存在起火和爆炸等安全隐患。采用固体电解质材料取代以往的有机液体电解液，能够有效解决有机液体电解液挥发、泄露等安全问题，增大了电池的安全性能。然而，全固态电池的电化学性能受到以下主要因素的制约：正极材料的电化学性能、电解质的离子电导率以及电解质与正极材料之间固-固接触的界面电阻。因此，从材料选择和固态电池设计角度出发，理想的钠离子导体固态电解质应具有高离子电导、低弹性模量以及高化学稳定性。

目前，报道的固态钠离子电池电解质主要集中在氧化物、硫化物和复杂氢化物基材料，并通过形貌控制、元素掺杂和替代等手段进一步提高材料体系的离子电导、机械加工性以及化学稳定性。固态电解质的电导率取决于载流子/钠离子浓度和钠离子迁移率，与阴离子基团种类紧密相关。相较于其他方法，阴离子设计能更有效地提高钠离子导体固态电解质性能，但是由于分子设计及其合成难度大，这方面的研究非常有限（Kisuk Kang, etal, Progress in the Development of Sodium-Ion Solid Electrolytes, SmallMethods, DOI: 10.1002/smtd.201700219)。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种以高分子聚合物为阴离子的钠离子导体固态电解质及其器制备方法，针对与可迁移钠离子浓度和钠离子迁移率紧密相关的阴离子基团进行设计、开发具有高钠离子电导率固态电解质的新结构，使全固态钠离子电池电解质具备高钠离子电导率、宽电化学窗口、高稳定性和杨氏模量。

本发明提供了一种全固态钠离子电池电解质，该全固态钠离子电池电解质含有高分子聚合物为阴离子、钠离子为阳离子的盐。高分子聚合物阴离子的结构式基团如（1）所示。

（1）

其中，高分子聚合物阴离子中X包括基团（2）和（3）。

（2） （3）

所述高分子聚合物结构式基团（1）、（2）和（3）中的摩尔占比分别为30%≤a≤80%，0%＜b≤50%，0%≤c≤20%；R选自H、或碳原子数为1-4的脂肪烃基。