[发明专利]一种异质结构的凝胶聚合物电解质及准固态锂金属电池

说明书

本发明涉及一种异质结构的凝胶聚合物电解质和锂金属准固态电池，该电解质组成包括聚合物电解质膜和有机电解液，所述聚合物电解质膜包括聚合物基体、金属有机框架ZIF‑8材料和氧化铝；所述有机电解液包括有机溶剂和锂盐。该电解质能够克服传统液态电解质易泄露的安全问题和全固态电解质界面兼容性差的缺点，而且具有优异的机械性能、离子电导率和离子迁移数。本申请还涉及使用该异质结构的凝胶聚合物电解质组装的锂金属电池，能够有效的抑制锂枝晶的生长，而且实现优异的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池领域，具体而言，涉及一种异质结构的凝胶聚合物电解质、及其制备方法和应用，特别是采用该电解质用于固态锂金属电池。

背景技术

电气化时代对于可充电二次电池的能量密度提出了更高的要求，而传统的基于插层电极的电化学储能体系如锂离子电池的能量密度已经接近极限。为了构建更加安全、高能的二次电池体系，采用金属锂电极作为负极(理论比容量高达3680 mAh/g，电极电位低至-3.04 V(vs NHE) )，匹配高比能正极材料构筑的可充电锂金属电池具有极高的理论能量密度并展示出良好的应用前景。然而，金属锂负极在充放电过程中由于过度的反应活性极易与有机液态电解质作用，从而表现出不均匀溶解沉积以及枝晶生长的特性，这种枝晶状结构演化会进一步造成死锂和连续的副反应，导致库仑效率降低，循环寿命降低。此外，纳米锂枝晶可能刺穿隔膜，导致电池短路和热失控，甚至起火爆炸，给锂金属电池带来严重的安全问题。有鉴于此，开发和设计新型的电解质体系以替代传统的有机液体电解质成为解决这些挑战的有效策略之一。目前，包括无机固体电解质、固态聚合物电解质和凝胶聚合物电解质在内的新型电解质体系得到了快速发展并极大改善了传统液体电解质中泄漏、易燃性和挥发性的固有问题。

与无机固体电解质的刚性易脆和固态聚合物电解质的非流动特性相比，凝胶聚合物电解质具有高灵活性、高安全性、易于制造和优越的界面兼容性等优点，因此在固态电解质中脱颖而出。就锂金属固态电池而言，固态电解质本身的离子传输性质和对锂负极的界面稳定性对于电池的整体安全性至关重要。因此，构筑具有高离子电导率、高机械强度和高界面稳定性的凝胶聚合物电解质用于锂金属准固态电池成为当前研究的热点。目前的主流研究采用原位交联、无机填料或者二者结合来提升凝胶聚合物电解质的离子导电性和力学性能。一方面，通过构造交联网状结构的聚合物电解质，能够一定程度上增强链端运动以抑制聚合物基体的结晶，同时还能显著提高聚合物电解质的机械性能。交联可以通过物理交联、化学交联或辐射交联等方式。另一方面，通过在聚合物电解质中加入一些无机陶瓷填料构成复合电解质体系，无机填料可以分为惰性填料和活性填料两类，惰性填料常见的如Al₂O₃，SiO₂，TiO₂，其不直接参与离子传输的过程，但通过其与聚合物基体以及锂盐的Lewis酸碱作用，能够降低聚合物基体的结晶度，促进锂盐的解离，增加自由Li⁺的数目以及促进Li⁺的快速传输，从而提高离子电导率。而活性填料通常指的是无机固态电解质(分为氧化物和硫化物)，其能直接参与离子传输，提供锂源，进一步提高离子电导率。同时有机/无机复合电解质体系也能结合两者的优势，在综合性能(如机械性能、界面性能)的提高上更具优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种异质结构的凝胶聚合物电解质、其制备方法和准固态锂金属电池，能够在提高电解质机械性能的前提下，解决不均匀的锂沉积以及锂枝晶生长问题。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种异质结构的凝胶聚合物电解质，其组分包括：聚合物电解质膜10~40 wt.%，有机电解液60~90 wt.%；所述聚合物电解质膜包括聚合物基体、金属有机框架ZIF-8材料和氧化铝；所述有机电解液包括有机溶剂和锂盐。

进一步地，所述电解质膜中还包括塑化剂，所述塑化剂选自丁二腈SN以及丙烷磺酸吡啶嗡盐PPS中的一种或者两种的组合。