[发明专利]一种宽电化学窗口复合固体电解质及其制备方法

说明书

本发明涉及电化学储能领域，具体是指一种宽电化学窗口复合固体电解质及其制备方法。该复合固体电解质的成分为聚丙烯腈、锂盐、陶瓷填料以及保护层材料，其制备方法如下：首先通过球磨或加热搅拌制备复合电解质的前驱体浆料；然后采用流延成型法将该浆料涂于洁净的玻璃板上，烘干后得到PAN基复合固体电解质；最后制备保护层浆料，并通过旋涂法或流延成型法将其均匀涂于所得的PAN基复合固体电解质的一个表面上，烘干后即得该宽电化学窗口复合固体电解质。本发明的复合固体电解质具有电化学窗口宽(0～4.5V vs.Li/Li⁺)、厚度薄(5～300μm)、柔韧性好以及制备方法简单等优点，适用于锂离子电池、液流电池等领域。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，具体是指一种宽电化学窗口复合固体电解质及其制备方法。

背景技术

高能量密度、高安全性的新一代电池是发展便携式电子产品和电动汽车的关键，近些来成为了学术界和工业界的研究重点。锂金属具有极高的能量密度和最负的电势，被誉为负极材料中的王冠。另外，传统的锂离子电池采用磷酸铁锂为正极活性物质，而磷酸铁锂的电势和能量密度较低，无法实现当前市场对高能量密度电池的需求。采用锂金属负极取代传统碳材料负极、高电压三元正极取代磷酸铁锂正极，是当前最具潜力的实现高能密度电池的方案。另一方面，传统的锂离子电池使用可燃性的液体电解液，存在严重的安全隐患。采用固体电解质取代传统液体电解质能有效解决该问题。而且由于固体电解质通常具有较高的剪切模量，理论上可以阻挡锂金属枝晶的生长，因而具有使锂金属负极实用化的潜力。

虽然有很多优势，目前的固体电解质通常电化学窗口较窄，无法同时适用于锂金属负极和高电压三元正极。例如，氧化物固体电解质钙钛矿型LLTO和Nasicon型LAGP具有优良的正极抗氧化性，但是会被锂金属还原，无法适配锂金属负极。又如，聚氧化乙烯(PEO)固体电解质和锂金属具有很好的兼容性，但是正极抗氧化性差，无法适用于三元电池。

因此，有必要开发具有宽电化学窗口的固体电解质，从而实现高能量密度和高安全性的锂金属三元电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽电化学窗口复合固体电解质及其制备方法，该复合固体电解质具有宽的电化学窗口(0～4.5Vvs.Li/Li⁺)、薄的厚度(5～300μm)以及优良的柔韧性。其制备工艺简单易控，可操作性强，适合大规模生产。

为了实现上述目的，本发明提出以下技术方案是：

一种宽电化学窗口复合固体电解质，该复合固体电解质的成分为聚丙烯腈、锂盐、陶瓷填料以及保护层材料，其中：

陶瓷填料为不导电子的无机非金属材料，保护层材料包含粘接剂以及与锂金属接触稳定的固体材料，聚丙烯腈与锂盐的质量比为1:0.001～1:10，聚丙烯腈与陶瓷填料的质量比为1:20～1:0.01，聚丙烯腈与保护层材料的质量比为1:1～1:0.0001；保护层材料中，粘接剂以及与锂金属接触稳定的固体材料之间的质量比为1:20～1:0.1。

所述的宽电化学窗口复合固体电解质，该复合固体电解质具有宽的电化学窗口为0～4.5Vvs.Li/Li⁺。

所述的宽电化学窗口复合固体电解质，该复合固体电解质中所用的陶瓷填料为氮化硼或氧化锆。

所述的宽电化学窗口复合固体电解质，该复合固体电解质中所用的锂盐为高氯酸锂或双三氟甲磺酰亚胺锂。

所述的宽电化学窗口复合固体电解质，该复合固体电解质的保护层材料中，粘接剂为聚偏氟乙烯或聚丙烯酸，固体材料为氮化硼或氟化锂。

所述的宽电化学窗口复合固体电解质的制备方法，具体步骤如下：

(1)将聚丙烯腈、锂盐和陶瓷填料按照比例混合，加入溶剂N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜后球磨或加热搅拌，得到复合固体电解质的前驱体浆料，前驱体浆料的固含量为5～95wt％；