[发明专利]高导电率复合固态电解质、其制备方法及原位固态锂电池

说明书

本发明涉及一种高导电率复合固态电解质、其制备方法及原位固态锂电池，将不饱和双键的烯类单体液体或可引发聚合的醚类电解液作为溶剂，加入锂盐、陶瓷型固态电解质和引发剂，混合均匀得到前驱体溶液，加热聚合，得到柔软的薄膜，即为高导电率复合固态电解质；采用高导电率复合固态电解质，裁剪后与电极材料进行组装，并在高导电率复合固态电解质与电极材料之间滴加前驱体溶液封装，加热聚合，得到原位固态锂电池。与现有技术相比，本发明采用自身聚合的复合膜作为固态电解质，不再额外使用传统的纤维素膜、聚酰亚胺隔膜或聚芳砜酰胺隔膜作为支撑，可以极大的增加锂离子的传输通路，具有极好的电池稳定性和库伦效率，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及固态电解质和固态锂电池技术领域，尤其是涉及一种高导电率复合固态电解质、其制备方法及原位固态锂电池。

背景技术

化学电源已成为人们不可或缺的一种储能方式。在当下的化学电池体系中，锂电池由于其高的能量密度、长的循环寿命、无记忆效应等特点被认为是最具前景的一种储能器件。目前传统的锂离子电池使用的是有机液体电解质，尽管液体电解质能够提供较高的离子电导率以及良好的界面接触，但其安全性问题仍不容忽视。液态电解质在电池的充放电过程中会不断的和负极材料发生反应，生成SEI膜，持续消耗电解液和负极材料。由于嵌入负极材料内部动力学较慢的原因，在低温过充或大电流充电下，金属锂直接析出在负极表面，将导致锂枝晶的生长，带来安全隐患。而液态电解质存在的其他问题，包括锂离子迁移数低、易泄漏、易挥发、易燃等问题也阻碍了锂电池的进一步发展。与液态电解质相比，全固态电解质具有良好的安全性能、易于加工成膜、稳定的界面接触等优势，同时也能很好地抑制锂枝晶的生长，安全性能较高。而固态电解质一般不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，同时可以抑制锂枝晶的生长，具有优良的安全性。

除此之外，固态电解质具有以下优点：

1、能量密度高。目前，市场中应用的锂电池能量密度为200Wh/kg，如果采用固态电解质，锂电池能量密度基本可达300-400Wh/kg，几乎翻了一番。

2、质量相对较轻。相比液态电池，相同容量的电池组，固态电解质电池相对较轻。比如特斯拉-松下生产的三元锂电池组质量达到900kg，而固态电池创业公司Seeo Inc生产的相同容量电池组的质量却只有323kg，接近前者的三分之一。

3、循环性能强。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象，大大提升了锂电池的循环性和使用寿命。

固态电解质目前常见的有聚合物固态电解质、无机固态电解质、复合物固态电解质。聚合物固态电解质是由聚合物基体(如聚酯、聚酶和聚胺等)和锂盐(如LiClO₄、LiPF₆、LiBF₄等)构成。常见的有聚氧化乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯等。聚合物电解质具有质量较轻，黏弹性好，机械性能好等特点，但是在室温下的离子电导率较低，影响了其实际应用。无机固态电解质主要有氧化物固态电解质和硫化物固态电解质。氧化物固态电解质分为晶态和玻璃态(非晶态)两类，其中晶态电解质包括钙钛矿型、NASICON型以及石榴石型等，玻璃态氧化物电解质如LiPON型电解质。氧化物固态电解质的化学性质较稳定，且在室温下离子电导率可以达到10^-4-10^-3S·cm^-1。但是其于电极的接触较差，界面阻抗较大，材料硬且脆，容易在充放电过程中发生开裂。硫化物固态电解质常见的有锂硒磷硫，锂锗磷硫等。硫化物的离子电导率很高，可以达到10^-3-10^-2S·cm^-1，但是化学性质不稳定，容易和负极材料之间发生副反应。复合物固态电解质是采用聚合物固态电解质和无机物固态电解质进行复合制备的电解质，兼具了聚合物电解质的质量较轻，黏弹性好等特点，并且通过掺入无机物固态电解质提升了离子电导率，化学性质也较为稳定，与电极相容性较好，具有很好的应用前景。但是复合固态电解质仍存在与电极的固-固界面接触不良，界面阻抗较大等问题。

发明内容