[发明专利]一种高离子电导率复合固体电解质及其制备方法

说明书

一种高离子电导率复合固体电解质的制备方法，属于离子导体电解质领域。首先在去离子水中加入陶瓷粉料、分散剂球磨混合得到浆料，通过吸附在陶瓷颗粒表面的分散剂有机链的空间位阻作用，将陶瓷粉体分散，随后加入粘结剂、交联剂继续球磨制备出水基陶瓷浆料；然后在浆料原位固化前，将模板放入浆料充分浸润后取出固化、干燥，再经煅烧除去模板、高温烧结得到多孔陶瓷结构，最后与聚合物复合得到固体电解质。相比于其他技术，本发明方法可根据模板的选择灵活设计多孔陶瓷电解质的结构；同时多孔陶瓷骨架致密，结晶性好、体积占比高，大大增加复合电解质的离子电导率；环境友好且成本低廉，利于大规模的推广应用。

技术领域

本发明属于离子导体电解质领域，具体涉及一种高离子电导率复合固体电解质及其制备方法。

背景技术

无机陶瓷固体电解质具有电化学性能好、离子电导率高、对锂负极接触稳定等优点，有望用于制备高安全性、高能量密度的固态锂电池。但是，陶瓷固体电解质本身硬而脆的特点造成与电极的接触受限，导致电池界面内阻过大。因此，将质轻且柔韧性好的聚合物电解质和无机陶瓷电解质制备复合固体电解质，成为了固态锂电池研究的热点之一。

当前复合固体电解质主要工作聚焦在提升离子电导率上。常见的复合固体电解质制备方法是将陶瓷电解质粉体分散在聚合物基体中，但是复合体系的离子传输受限于低离子电导率的聚合物基体。因此，研究人员设法通过设计陶瓷电解质的结构来改善复合固体电解质的离子电导率。例如Zhai等人(Nano Lett.2017:3182-3187)通过冷冻干燥法制备LATP垂直棒状结构，复合后的电解质室温离子电导率仅为0.52×10^-4S/cm，原因是LATP陶瓷结构松散，颗粒间界面阻抗大；此外，Hu等人(Mater Today,2018:594-601)利用纤维素为模板，通过浸渍LLZO前驱体溶液烧制出三维织状的LLZO结构，得到的复合固体电解质室温离子电导率仅为2.7×10^-5S/cm。通过前驱体溶液浸渍制备出的LLZO陶瓷相结晶性较差，且陶瓷体相含量低，复合体系电导率相对较低；同时，工作效率以及成本也显然不能满足大规模的生产需求。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提供一种高离子电导率复合固体电解质及其制备方法。本发明方法通过制备水基陶瓷粉体浆料，将模板充分浸入浆料，取出固化并干燥，然后煅烧除去模板并高温烧结得到结构稳定的多孔陶瓷电解质，最后与聚合物复合制备出高离子电导率的固体电解质。相比于其他技术，本发明方法可根据模板的选择灵活设计多孔陶瓷电解质的结构；同时多孔陶瓷骨架致密，结晶性好、体积占比高，大大增加复合电解质的离子电导率；环境友好且成本低廉，利于大规模的推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高离子电导率复合固体电解质，包括三维多孔陶瓷以及填充于三维多孔陶瓷的孔隙内的聚合物，其中三维多孔陶瓷与聚合物的质量比为(4～9):(6～1)，三维多孔陶瓷的孔径为1μm～30μm。

进一步地，所述三维多孔陶瓷为LLZO(石榴石型锂镧锆氧)陶瓷、LLTO(钙钛矿型锂镧钛氧)陶瓷、LATP(NASICON型锂铝钛磷)陶瓷或LAGP(锂铝锗磷)陶瓷等。

进一步地，所述聚合物为聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)等。

一种高离子电导率复合固体电解质的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将陶瓷粉体、分散剂加入去离子水中，球磨混合均匀后，加入粘结剂和交联剂，进一步混合均匀，得到水基陶瓷浆料；其中，步骤1所述的分散剂、陶瓷粉料、粘结剂、交联剂的质量比为(0.5～5)：(20～1000)：(1～10)：(0.5～10)；

步骤2、将模板浸入步骤1得到的水基陶瓷浆料中充分浸润，然后将模板取出固化并干燥；