[发明专利]复合固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了复合固态电解质及其制备方法和应用。其中复合固态电解质的制备方法包括：对无机快离子导体、锂盐、聚合物、预聚物和/或可聚合单体、引发剂进行熔融共混；对得到的熔融共混物进行流延成型和升温固化，以便得到无机/聚合物复合固态电解质膜。该方法将熔融共混、流延成型和热固化成型工艺联用，不仅无需使用溶剂，工艺环保，适合进行规模化生产，而且制备得到的复合固态电解质膜均匀稳定，具有较好的力学强度、热稳定性和电化学稳定性，机械加工性能好、离子电导率高，不易造成电池短路。

技术领域

本发明属于电池领域，具体而言，涉及复合固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术

近几年来，因动力电池的飞速发展，传统含有液态电解质的锂离子电池很难满足其所需要的安全性能和能量密度。利用高力学强度、快速锂离子传导速率的固态电解质替代液态电解质制备全固态锂电池是目前最有效的实施方案。目前的固态电解质按种类可分为无机氧化物、聚合物、无机/聚合物复合材料和硫化物。其中，无机/聚合物复合固态电解质材料兼具无机氧化物的高离子电导率和聚合物优异的柔顺性，是最有希望产业化的一种固态电解质。然而，在加工制备过程中此类复合固态电解质膜主要采用溶液涂覆法或浇注法获得，不仅制备周期长还需要大量溶剂；此外，在制备过程中还很难保证涂层的均一性，很容易造成电池短路。因此，急需开发一种新的制备方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出复合固态电解质及其制备方法和应用。其中，制备复合固态电解质时采用熔融共混、流延成型和热固化成型联用的方法，不仅无需使用溶剂，工艺环保，适合进行规模化生产，而且制备得到的复合固态电解质膜均匀稳定，具有较好的力学强度、热稳定性和电化学稳定性，机械加工性能好、离子电导率高，不易造成电池短路。

本发明主要是基于发明人的以下发现提出的：

目前固态电解质膜多采用溶液法涂覆或浇注工艺，不仅制备周期长且需要大量溶剂，而且在制备过程中很难保证涂层的均一性，很容易造成电池短路。为减少溶剂的使用同时提高固态电解质膜的均匀性，发明人设想可以将熔融共混和流延成型工艺联用来制备无机/聚合物复合固态电解质，然而，为提高固态电解质的离子电导率，需要加入足够量的快离子导体粉体，而无机快离子导体粉体的添加量过大又会导致体系熔体强度显著增大，以至于熔体加工性能大大降低甚至失去加工性能，无法实现固态电解质膜的连续加工生产。

为此，根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种制备复合固态电解质的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

对无机快离子导体、锂盐、聚合物、预聚物和/或可聚合单体、引发剂进行熔融共混；

对得到的熔融共混物进行流延成型和升温固化，以便得到无机/聚合物复合固态电解质膜。

发明人发现，将无机快离子导体、锂盐和聚合物进行熔融共混时可以引入预聚物和/或可聚合单体，使预聚物和/或可聚合单体通过聚合或交联反应来提高复合固态电解质的力学强度，从而兼顾固态电解质的力学强度、热稳定性和电化学稳定性及机械加工性能；然而，预聚物和/或可聚合单体的聚合和交联程度有限，共混物经流延成型制备的复合固态电解质膜因其内部含有较多低分子量的预聚物和单体导致其力学强度仍然较弱，难以抑制锂枝晶的生长，体现不出固态电解质的优势，本发明中通过在熔融共混过程中进一步引入引发剂，并在流延成型后进行升温固化，可以在升温固化过程中大幅提高预聚物和/或可聚合单体的聚合度和交联度，从而能够显著提高最终制备得到的复合固态电解质的力学强度并有效抑制锂枝晶的生长。综上所述，本发明上述实施例的制备复合固态电解质的方法不仅无需使用溶剂，工艺环保，适合进行规模化生产，能够获得超薄、高强度的锂离子电池用聚合物/无机复合固态电解质，而且制备得到的复合固态电解质膜均匀稳定，且具有较好的力学强度、热稳定性和电化学稳定性，具有机械加工性能好、离子电导率高，不易造成电池短路的优点，具体地，该复合固态电解质膜的离子电导率不低于1×10^-4S/cm。