[发明专利]聚合物基复合固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种聚合物基复合固态电解质及其制备方法与应用。所述方法通过将聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、双三氟甲烷磺酰亚胺锂加入乙腈中，搅拌处理，加入MOF5‑NH₂材料，得到混合泥浆，挥发干燥，得到聚合物基复合固态电解质。本发明的聚合物基复合固态电解质具有较高的离子电导率和宽的电化学窗口，同时能够抑制锂硫电池中的多硫化物的穿梭效应，改善电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于固态锂电池技术领域，涉及一种聚合物基复合固态电解质及其制备方法与应用。

背景技术

作为新能源产业的重要支撑和辅助技术，电化学储能器件成为全球研究与开发热点，新型电化学储能器件正朝着高比能量、高安全、长循环寿命、低成本方向发展。锂硫电池具有优异的理论比容量(1672mAh/g)，其理论比能量密度高达2600Wh/kg，并且主要活性物质硫元素储量丰富、价格低廉、容易制备获取，因此被认为是一种具有理想应用前景的电池体系。

与传统锂离子电池的嵌脱锂反应不同，锂硫电池采用硫或含硫化合物为正极，锂为负极，电解液采用液态有机化合物，通过硫-硫键的断裂/生成来实现电能与化学能的相互转换。放电时，锂离子从负极脱出，向正极迁移，正极活性物质硫-硫键断裂，期间伴随着大量中间产物的氧化还原过程，会生成多种硫化锂中间产物，如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄，最终形成Li₂S；充电时，Li₂S电解，释放出来的锂离子重新回到负极，沉积为金属锂或嵌入到负极材料中。

锂硫电池发展至今仍面临众多挑战，在液态电解液体系中，活性物质利用率低、容量衰减迅速、循环寿命短，自放电快，安全性能有待提高，限制了其进一步发展和应用。究其原因，主要是因为单质硫做正极，为绝电子缘体，导电率低，且和最终产物Li₂S₂/Li₂S密度差异大，存在明显的体积效应，而中间产物多硫化物可溶于液态有机电解液，充电过程会迁移至负极，和不稳定的锂金属表面发生自放电反应，生成物回到正极被氧化，如此反复，形成穿梭效应，导致活性物质利用率低，造成电池容量损失和循环性能下降。除此之外，金属锂作为负极一直存在界面不稳定和枝晶问题，易引发热失控及短路爆炸等问题，也制约了锂硫电池的推广和应用。目前报道的无机固态电解质虽然离子电导率高，但其存在加工性能差、不易成膜、电解质与电极之间的固固界面存在离子传输困难等问题，不易直接应用于电池器件中。尽管有机聚合物电解质有望应用于电池器件中，但单一的有机聚合物固态电解质，如聚环氧乙烷等，室温离子电导率低，不能有效的抑制穿梭效应和锂枝晶问题。目前，一种行之有效提高聚合物电解质的策略主要是在聚合物电解质中添加填料，从而提高其离子电导率以及机械性能。Yuan等人通过向聚氧化乙烯(PEO)中添加MOF5材料提高PEO基聚合物电解质的离子电导率，其原理是MOF材料中含有大量的路易斯酸性位点，路易斯酸不仅可以与PEO链的醚基上带孤对电子的氧原子配位，降低PEO的结晶性，还可以与锂盐中的阴离子发生相互作用，促进锂盐分解，提高聚合物电解质的离子电导率(Journal of PowerSources 240(2013)653-658)，但单纯的MOF材料添加并不能明显提升离子电导率，并且也不能有效的解决聚合物基固态电解质氧化电压低、锂枝晶等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚合物基复合固态电解质及其制备方法与应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

聚合物基复合固态电解质的制备方法，包括以下步骤：