[发明专利]含有亲锂金属离子的聚合物固态电解质及制备方法与应用

说明书

本公开提供了一种含有亲锂金属离子的聚合物固态电解质及制备方法与应用，该聚合物固态电解质以丙烯酸衍生物为聚合物的主体结构，亲锂金属丙烯酸盐中的羧基基团固定在聚合物的主链上，亲锂金属离子游离在聚合物基体中。含有亲锂性金属离子的聚合物固态电解质电导率优于单离子导体电解质，不仅能够实现电解质内部的离子调控，而且，还能够实现在锂表面的合金化，从而实现锂离子的均匀沉积，表现出优异的对锂稳定性，由此制备的全电池也实现了在大倍率下长时间的稳定循环且展现了良好的倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池的制备技术领域，具体为一种含有亲锂金属离子的聚合物固态电解质及制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

固态电解质匹配锂金属电池形成的全固态锂金属电池具有极高的能量密度和良好的安全性，是未来储能器件的重要发展方向。固态电解质大致可以分为无机固态电解质和聚合物固态电解质。无机固态电解质刚硬的特性使得与锂负极之间接触较差，严重影响了锂离子在界面处的传输。相比于无机固态电解质，聚合物固态电解质具有一系列无可比拟的优势，但聚合物固态电解质在全固态锂金属电池的应用还面临许多挑战，聚合物本身离子电导率较低，电化学窗口窄且机械强度不高。更为棘手的是聚合物电解质与锂负极的界面在循环过程中会持续恶化，会导致电池效率偏低并且容量衰退严重。界面问题主要包括持续的界面副反应和锂枝晶不断生长的生长，这是由锂金属本身的特性以及在电池循环过程中不均匀的锂沉积/剥离导致的。

金属锂具有极强的还原特性，可以与大部分的电解质和锂盐发生反应，在电解质/锂界面处生成一层电子绝缘、离子电导的固态电解质界面层(SEI)。SEI的生成一方面会造成电极材料和电解质的损失，降低库伦效率，另一方面会使锂负极与电解质相阻隔，阻止两者之间的进一步反应。

由界面处的电场和离子分布不均匀引发的不均匀的锂沉积/剥离是导致界面问题的又一重要原因。伴随着锂的沉积/剥离的是锂金属电极材料巨大的体积变化，局部过度的锂沉积/剥离会导致SEI膜的不断破裂与界面的持续更新，从而造成界面反应的持续发生以及界面阻抗的持续增大；此外，锂离子不均匀的沉积还会诱导锂枝晶的产生，而聚合物固态电解质整体的机械强度不足以有效阻碍锂枝晶的生长，因此存在短路的风险。另外，锂枝晶在后续的剥离过程中根部的锂原子会优先失去电子进而形成死锂，死锂的形成会额外降低电池的库伦效率。因此，调控界面处离子分布、实现均匀的锂离子的沉积与剥离是解决聚合物固态电解质与锂负极界面问题的关键。

为了解决上述问题，单离子导体聚合物电解质和表层合金化处理已经用于广泛研究。但是，发明人发现，单离子导体聚合物电解质的不足之处在于其离子电导率偏低，难以在大倍率下实现电池高比容量的循环，由于阴离子基团与锂离子之间存在较强的静电吸引作用，完全锚定在聚合物主链上的阴离子基团会在一定程度上限制锂离子在聚合物基体中的迁移。表层合金化处理往往涉及到对锂金属表面进行化学处理或者在相应的电解质一侧进行修饰，操作较为繁琐，而且由于聚合物固态电解质与无机固态电解质性质的差异，一些针对无机固态电解质的表面处理，如磁控溅射、原子沉积等手段难以施展。目前表层合金化处理手段多应用于液态锂金属电池和无机固态锂金属电池体系。因此，目前的聚合物固态电解质仍然无法满足全固态锂金属电池的要求，如何解决现有聚合物固态电解质面临的缺陷成为研究人员需要克服的技术难题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开的目的是提供一种含有亲锂金属离子的聚合物固态电解质及制备方法与应用，含有亲锂性金属离子的聚合物固态电解质电导率优于单离子导体电解质，不仅能够实现电解质内部的离子调控，而且，还能够实现在锂表面的合金化，从而实现锂离子的均匀沉积，表现出优异的对锂稳定性，由此制备的全电池也实现了在大倍率下长时间的稳定循环且展现了良好的倍率性能。

具体地，本公开的技术方案如下所述：