[发明专利]分子筛基固态电解质以及制备方法、一体化固态电解质-电极材料

说明书

本申请公开了一种分子筛基固态电解质以及制备方法、一体化固态电解质‑电极材料。该分子筛基固态电解质包括分子筛膜或者分子筛片；分子筛孔道中存在可移动的阳离子。本申请基于分子筛基固态电解质，设计一种超薄、柔性、一体化、高度安全、长循环寿命的固态储能器件。

技术领域

本申请涉及一种分子筛基固态电解质以及制备方法、一体化固态电解质-电极材料和固态储能器件，属于电池电解质技术领域。

背景技术

目前，应用于便携式电子设备、电动汽车、智能电网的商业化储能体系多采用液态有机电解质。然而，采用液态有机电解质的储能体系易发生短路、漏液，进而引发燃烧、爆炸等安全事故。

为了解决液态有机电解质储能体系的问题，开发以固态电解质为核心元件的固态储能体系势在必行。固态电解质不仅需要具备良好的化学、电化学稳定性以及较高的机械强度，而且需要具有优越的离子电导率以及理想的界面相容性以满足固态储能器件对于电化学性能的要求。同时，固态电解质应该具有较低的电子电导率，避免电化学过程中金属阳极元素在电解质内部成核并形成枝晶，穿透固态电解质导致电池短路。另外，金属空气电池等敞开式储能体系对于固态电解质提出了更高的要求。相比于其他封闭体系(如锂离子电池、钠硫电池等)，固态金属-空气电池的电解质还应：①对于空气组分(氧气、水、二氧化碳等)高度稳定，以满足电池在空气中运行的要求；②具有较高的抗氧化性，以抵抗氧还原中间体的腐蚀。

目前，较为常见的无机固态电解质一般都具有较为良好安全性、机械强度以及离子电导率，但其较差的稳定性严重影响了该类材料的实际应用。例如，石榴石型固态电解质对水和二氧化碳等敏感；钙钛矿型固态电解质自身稳定性较差，且对空气、金属阳极等敏感；NASICON型固态电解质对金属阳极敏感；硫化物固态电解质对水和氧气等敏感。此外，目前固态电解质一般采用高温固相合成工艺制备，晶粒界面以及电解质与阴阳极界面的阻抗较大。虽然目前在改善固态电解质界面相容性和稳定性方面取得了较大进展，但基于现有固态电解质的固态储能体系仍然远远不能满足实际生产与应用的需要。同时，现有无机固态电解质制备成本高、工艺复杂、柔性差等缺陷也大大限制了固态储能器件的大规模生产及应用。

综上所述，开发新一类性能优异、成本低廉、可加工性强的固态电解质及固态储能器件以满足多种固态储能体系的需求，对于能源存储领域的变革具有重大意义。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种分子筛基固态电解质，以分子筛膜作为固态电解质，设计一种超薄、柔性、一体化、高度安全的固态电池。

一种分子筛基固态电解质，所述分子筛基固态电解质包括分子筛膜或者分子筛片；分子筛孔道中存在可移动的阳离子。

本申请中，分子筛孔道中存在的可移动的阳离子是与最终组装的储能器件的种类相匹配的。例如，可移动的阳离子为Li离子，即可组装固态锂电池等。

可选地，所述分子筛膜或者分子筛片中的分子筛为硅铝分子筛。

采用硅铝分子筛，其孔道内部可移动的阳离子与其他分子筛相比含量较高，制备所述固态电解质的离子传导性较为优越。

可选地，所述硅铝分子筛中的硅铝比为0.9～5；其中，所述硅铝比为Si/Al摩尔比。

所述分子筛硅铝比越低，其孔道内部可移动的阳离子含量越高，即载流子浓度越大，有利于离子传输过程。

可选地，硅铝分子筛的类型包含但不限于A，X，Y，ZSM-5等。

可选地，所述阳离子包含但不限于Li离子、Na离子、Mg离子、Ca离子、K离子、Zn离子、质子中的任一种。不同类型的阳离子对应不同类型的电池。

阳离子为Li离子时，可以为固态锂电池。具体地，本申请中的固态锂电池是指载流子为锂离子的固态电池，例如固态锂硫电池、固态锂-空气电池、固态锂-氧气电池、固态锂-二氧化碳电池、固态锂离子电池、固态锂金属电池等等。