[发明专利]基于玻纤垂直阵列结构全固态复合电解质的制备方法

说明书

本发明公开了基于玻纤垂直阵列结构全固态复合电解质及其制备方法，全固态复合电解质由聚合物与锂盐以15:1～25:1的摩尔比和500g‑1000g玻纤电解质，制备获得厚度为80‑500μm的具有垂直阵列结构的全固态复合电解质，其中聚合物为颗粒或粉末。制备方法包括如下步骤：（1）聚合物电解质粉末的配制；（2）玻纤电解质的制备；（3）玻纤垂直阵列复合电解质制备与组装。由此制得的全固态复合电解质，利用玻璃电解质纤维形成连续贯通的锂离子传输路径，具有离子电导率高（最高室温离子电导率可达3.3×10^‑4 S/cm）的特点，同时可显著提高锂离子全固态电池整体的比容量（最高比容量可达119.7mAh/g）。

技术领域

本发明涉及锂离子电池中固态电解质材料技术领域，特别是涉及一种基于玻纤垂直阵列结构全固态复合电解质的制备方法。

背景技术

锂离子电池作为目前被广泛利用的二次储能电池，因其良好的综合性能而备受关注。然而，传统的锂离子电池通常采用有机电解液，导致锂离子电池具有易燃易爆和易泄漏等安全问题。同时，有机电解液的活性较强，无法使用高能量密度的锂金属作为电极，难以满足下一代高能量密度电池的需求。因此，获得具有高离子电导率、优良化学稳定性的固态电解质已成为储能领域的重要研究方向。

固态电解质作为全固态锂离子电池的重要组成部分，其离子电导率和电化学性能等因素决定了全固态锂离子电池的品质和效率。利用高离子电导率的固体电解质所组装的全固态锂电池有望较好地从根源上解决其安全问题，并实现高的能量密度。

目前固态电解质可归纳为三类：无机（陶瓷或玻璃）固态电解质、聚合物固态电解质和两者结合的复合电解质。其中，无机固态电解质的离子电导率最高（Li10GeP2S12室温离子电导率可达1.2×10-2 S/cm）。然而，无机固态电解质机械性能差，导致电解质/电极界面阻抗较大。而聚合物电解质，例如被广泛研究的PEO体系，其聚合物的链段柔软，玻璃化温度低，与锂盐形成稳定的络合物时具有较高的离子电导率（10-4~10-5 S/cm），但具有易燃缺点，会带来安全隐患。

将无机电解质颗粒（或粉末）按照一定比例引入聚合物电解质中是目前已知的一种全固态复合电解质的制备方法。通过添加具有较高离子电导率和稳定性的无机固态电解质，不仅提高了复合电解质的离子电导率、热稳定性等性能，而且使复合电解质具有良好的柔性。但是，一般的引入方式是以氧化物电解质粉末加入到聚合物电解质中混合均匀后得到复合电解质材料。由于氧化物电解质颗粒（粉末）在复合电解质中的分布不连续，锂离子在电极间需要跨越多次聚合物与氧化物电解质之间的界面，不利于锂离子的传输。因此，这种方法对复合电解质的离子电导率等电化学性能的提升效果并不理想。

近年来，利用垂直阵列结构在复合电解质中构建离子传输通道来提高材料的离子电导率成为研究热点。2017年，HaoweiZhai等人利用冰冻模板方法在聚合物电解质（PEO/PEG）中引入垂直排布的二维填料Li1+xAlxTi2−x(PO4)3，（片层尺寸为1-5μm）在复合电解质中构建连续的填料-聚合物界面，离子电导率可达5.2×10-5 S/cm。但是，这种制备方法形成的垂直排布结构受填料形状所限，所形成的离子传输通道并不能贯穿电极两端，且垂直通道尺寸不可控制，对复合电解质的性能提升有一定程度的限制。2019年，Jiayu Wan等人利用PEO/LiTFSI来填充纳米孔聚酰亚胺（PI）薄膜（纳米孔直径约200nm）作为一种具有垂直取向PEO的聚合物固态电解质材料，室温下其离子电导率达到2.3×10-4 S/cm。然而，由于填充物和基底均为聚合物电解质，离子电导率和安全性均受到聚合物材料本身的限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，为了构建完整的有利于离子传输的垂直阵列结构复合电解质，进一步提高全固态复合电解质的电化学性能，本发明提供了一种基于玻纤垂直阵列结构全固态复合电解质的制备方法。