[发明专利]一种适用于4.5V全固态电池的非对称层状聚合物基复合固态电解质及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种适用于4.5V全固态电池的非对称层状聚合物基复合固态电解质及其制备方法与应用。该方法包括：将聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、双三氟甲烷磺酰亚胺锂加入N,N‑二甲基甲酰胺中，加入氧化物基离子导体和功能型锂盐添加剂，得到正极层；将聚氧化乙烯、双三氟甲烷磺酰亚胺锂加入N,N‑二甲基甲酰胺中，加入氧化物基离子导体和功能型锂盐添加剂，得到负极层，组合得到复合固态电解质。本发明中，正极侧电解质层和负极侧电解质层添加有不同的成膜添加剂，可分别在正极和金属锂负极表面形成稳定的固态电解质膜。该层状聚合物基固态电解质可用于4.5V高压全固态锂电池中，并使全固态电池具有双界面稳定性，表现出高的倍率容量和超稳定的循环性能。

技术领域

本发明属于固态锂电池技术领域，具体涉及一种适用于4.5V全固态电池的非对称层状聚合物基复合固态电解质及其制备方法与应用。

背景技术

相较于传统的液态锂离子电池，全固态锂金属电池具有优异的安全性能，因其使用的固态电解质具有不挥发、不泄漏和不可燃等特点。此外，使用高压活性材料作为正极组装的高压全固态锂金属电池在能量密度方面也比传统的液态离子电池更具有优势。因此，高压全固态锂金属电池被认为是最具希望的下一代储能设备之一。尽管如此，高压全固态金属锂电池的发展目前却面临着正极-电解质界面、负极-电解质界面和电解质本身不稳定等诸多问题。

固态电解质作为固态电池中的核心部分，其性质直接决定了所组装的固态电池的性能。固态电解质可分为三大类：无机固态电解质、有机聚合物固态电解质和有机-无机复合固态电解质。有机-无机复合固态电解质因此同时兼具无机固态电解质高离子导电性和高化学稳定性，以及有机聚合物固态电解质的机械柔软、易加工和可大规模生产等特点被广泛研究。有机-无机复合固态电解质用于高压固态电池中需要解决一系列的问题，如电解质本身在高电压下的电化学稳定性，电解质与正极兼容性以及电解质与金属锂负极的兼容性等等。值得注意的是，这些问题对应的解决措施不尽相同。

专利申请CN111969247A公开了一种原位保护金属锂负极的固态电解质及其制备方法。该方法使用具有保护性的锂盐作为添加剂，可保证金属锂负极表面持续生成SEI膜，从而有效的抑制锂枝晶的生长。

专利申请CN109301317B公开了一种耐高压固态聚合物电解质的制备方法。该方法使用无机的纳米线或纳米颗粒作为填料提高了固态聚合物电解质的耐高压性能，从而可以匹配高压三元正极材料。

这些研究证明，通过特定的措施可以解决特定的问题，如改善复合电解质的耐高压性能和与金属锂负极的兼容性等。然而，这些改进却是有限的，并不能在改性电解质的同时还能稳定“正极/电解质”和“负极/电解质”双界面。考虑到正极侧和负极侧对固态电解质性能要求的差异，需要开发一种非对称的复合固态电解质结构以同时满足正极和负极侧的要求；于此同时，在正极和负极侧采用针对性的锂盐成膜添加剂，从而实现固态电解质本身改性、正极-电解质和负极-电解质双界面稳定。这对高压全固态锂金属电池的应用具有重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种适用于4.5V全固态电池的非对称层状聚合物基复合固态电解质及其制备方法与应用。

本发明提供的制备方法，可制备得到非对称的层状聚合物基复合固态电解质结构，可同时满足正极侧和锂负极侧对聚合物基固态电解质本身的不同要求。同时，正极侧添加有易氧化分解成膜的功能型锂盐添加剂以形成稳定的“正极/电解质”界面；负极侧添加有易还原成膜的功能型锂盐添加剂以形成稳定的“负极/电解质”界面。该方法制备的非对称的层状聚合物基复合固态电解质可用于4.5V高压全固态锂电池中，并使组装的LFMP基全固态电池具有双界面稳定性。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的适用于4.5V全固态电池的非对称层状聚合物基复合固态电解质的制备方法，包括如下步骤：