[发明专利]一种碱金属离子迁移的固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碱金属离子迁移的固态电解质、所述碱金属离子迁移的固态电解质的制备方法和用途。本发明的固态电解质具有低成本、高离子电导率、宽电化学窗口、高循环稳定性、优良的电化学稳定性与机械强度，能够有效抑制碱金属枝晶的生成。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种碱金属离子迁移的固态电解质、所述碱金属离子迁移的固态电解质的制备方法和用途。

背景技术

商业碱金属电池具有能量密度高、比功率大、循环性能好、无记忆效应、无污染等特点。碱金属电池的成功应用产生了极大的经济效益、社会效益和战略意义，成为目前最受瞩目的绿色化学电源(参见：吴宇平，戴晓兵，马军旗，程预江，《锂离子电池——应用与实践》，北京：化学工业出版社，2004年)。但是，目前的商业碱金属电池中采用有机聚合物隔膜并添加具有低燃点的液态有机电解液，存在易燃易爆等安全问题，因此限制了采用液态有机电解质的碱金属电池的应用范围。

随着社会不断发展，电动汽车和智能电网等储能装置的不断普及，对碱金属电池的高性能和高安全性提出了更高的要求。碱金属由于具有高理论容量(例如金属锂为3860mAh/g)和低还原电位(例如金属锂为-3.04V)，被广泛认为是下一代高能量密度可充放电电池的最理想的负极材料。然而，采用碱金属作为负极材料会存在如下问题：由于形成的碱金属枝晶会穿透传统的多孔隔膜，造成负极和正极短路，从而产生严重的安全问题和使用寿命的终结。使用固态电解质材料的固态碱金属电池能有效抑制碱金属枝晶的生成，使得其具有良好的安全性能、高能量密度和长循环寿命等优点，因此备受科学界及工业界的关注(参见：吴宇平，张汉平，吴锋等，《绿色电源材料》，北京：化业工业出版社，2008年5月)。由于不使用低燃点的液体电解质，碱金属基固态电解质被广泛认为是突破使用碱金属作为负极技术瓶颈的关键因素，这将进一步加速高能量密度碱金属电池系统的实际应用。

固态电解质包括聚合物固态电解质、无机固态电解质以及复合电解质(参见：吴宇平，万春荣，姜长印，方世璧，《锂离子二次电池》，北京：化学工业出版社，2002年)。聚合物固态电解质主要由锂盐与聚合物复合形成，常见的聚合物有聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。无机固态电解质一般由具有较高离子传输特性的无机快离子导体材料构成，其可有效阻止碱金属枝晶穿透电解质造成电池内短路。常见的无机固态电解质主要有非晶态硫化物型、钙钛矿(Perovskite)型、NASICON型、LISICON型、石榴石(Garnet)型、Li₃N型等(参见：Arumugam Manthiram等发表在NatureReviews Materials，2017年第2卷，第16103页的Lithium battery chemistries enabledby solid-state electrolytes一文)。相较于聚合物固态电解质，大部分无机固态电解质能在更宽的温度范围内保持化学稳定性，因此基于无机固态电解质的电池具有更高的安全性能。

尽管无机固态电解质已经被广泛研究，但现有无机固态电解质材料存在原材料成本高(例如LISICON、石榴石需要含Ge、Zr或La等成本高的原材料才能得到高离子电导率)，Ge、Zr、La等资源有限的问题，使得其商业应用受到限制；另一方面，硫化物和Li₃N的理论分解电压低，无法满足高电压碱金属电池的要求。为了解决上述问题，本发明人经过长期探索，发明了一种高电压、低成本、高性能的无机固态电解质。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于固态碱金属电池的碱金属离子迁移的固态电解质，所述固态电解质具有离子电导率高、稳定性好的优点，所用的原料成本低，由此克服了现有固态电解质的原料成本高、资源有限的缺点。

本发明另一目的是提供一种制备所述碱金属离子迁移的固态电解质的方法。

本发明的又一目的是提供所述碱金属离子迁移的固态电解质在固态碱金属电池中的用途。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。