[发明专利]一种高性能、低成本复合固体电解质及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高性能、低成本复合固体电解质及其制备方法与应用，制备方法包括：首先将蒙脱土与有机改性剂于溶剂中搅拌混合，分离干燥后，得到有机改性蒙脱土粉体；再将聚合物基体、有机改性蒙脱土粉体、锂盐于有机溶剂中混合均匀，得到电解质浆料；最后将电解质浆料涂覆于基底上，干燥后即得到复合固体电解质膜层。与现有技术相比，本发明的复合固体电解质具有柔性，可弯折，表面多孔，具有较高的室温锂离子电导率、宽电化学稳定窗口和优异的电极兼容性，而且能够有效抑制锂枝晶的生长，具有较好的工业应用前景。

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种高性能、低成本复合固体电解质及其制备方法与应用。

背景技术

金属锂具有超高的理论比容量(3860mAh g^-1)和最低的电化学电位(-3.040V相对于标准氢电极)，是制备锂电池理想的负极材料。然而金属锂充放电过程中不可控的金属锂沉积行为易导致树枝状枝晶的生长，能够刺穿电池隔膜造成电池短路甚至引发严重的安全事故；同时锂枝晶生长形成“死锂”导致电极循环性能差。目前稳定金属锂负极的方法主要有：电解质添加剂、3D金属锂结构设计、人造固体电解质界面层、固体电解质等，其中，采用机械强度高的固体电解质抑制锂枝晶生长是实现金属锂负极实际应用的关键解决方案。固体电解质主要包括无机固体电解质和聚合物固体电解质，特别是聚合物固体电解质具有良好的柔性，易于加工且适合大规模生产，是发展固态锂金属电池最理想的电解质材料之一。然而该类电解质存在锂离子电导率低、高压稳定性不足、锂枝晶抑制能力差的缺点限制了其实际应用。聚合物基体中引入无机填料制备有机-无机复合固体电解质是提高电解质综合性能的重要途径。无机填料种类选择以及有机-无机作用界面设计是提高电解质综合性能的关键。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高性能、低成本复合固体电解质及其制备方法与应用，本发明的复合固体电解质具有柔性，可弯折，表面多孔，具有较高的锂离子电导率、宽电化学稳定窗口和优异的电极兼容性，而且能够有效抑制锂枝晶的生长，具有较好的工业应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高性能复合固体电解质的制备方法，包括以下步骤：

1)将蒙脱土与有机改性剂于溶剂中搅拌混合，分离干燥后，得到有机改性蒙脱土粉体；

2)将聚合物基体、有机改性蒙脱土粉体、锂盐于有机溶剂中在一定温度下搅拌混合均匀，得到电解质浆料；

3)将电解质浆料涂覆于基底上，干燥后即在基底上形成复合固体电解质膜层。

进一步地，步骤1)中，所述的蒙脱土为钠基蒙脱土、钙基蒙脱土、锂基蒙脱土中的至少一种，平均粒径为1-10μm。

进一步地，步骤1)中，所述的有机改性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、双(十八烷基)二甲基氯化铵、三(十八烷基)甲基氯化铵中的至少一种。

进一步地，步骤1)中，蒙脱土与有机改性剂的混合溶液中，蒙脱土的浓度为5-10mgml^-1，有机改性剂的浓度为2-8mg ml^-1，混合温度为0-60℃，混合时间为6-36h。

进一步地，步骤2)中，所述的聚合物基体为聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

进一步地，步骤2)中，所述的锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂、硝酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂中的至少一种。

进一步地，所述的复合固体电解质膜层中，有机改性蒙脱土粉体、锂盐、聚合物基体之间的质量比为(0-3):(10-20):30，分散溶剂为乙腈、乙醇、二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺酮中的至少一种，搅拌处理温度为25-80℃，搅拌时间为0-36h。