[发明专利]一种陶瓷基复合固体电解质膜及其制备和应用

说明书

本发明属于固态电池材料领域，具体涉及一种陶瓷基复合固体电解质膜的制备方法，将包含陶瓷固体电解质材料、造孔剂的原料压制成型，制得生坯块，随后进行多段热处理，制得多孔陶瓷块体；所述的多段热处理工艺包括在30‑1500下的第一段热处理过程和在700‑1500下的第二段热处理过程；原料中，造孔剂的含量为15～50wt.％；将所述的多孔陶瓷块体浸泡在聚合物溶液中，干燥处理，得到复合陶瓷块体；将复合陶瓷块体进行切割处理，即得所述的陶瓷基复合固体电解质膜。本发明还包括所述的制备方法制得的材料及其在固态电池中的应用。本发明方法能够制得高性能的超薄固态电解质。

技术领域

本发明属于储能材料领域，具体涉及一种固态电池电解质材料领域。

背景技术

目前，化石燃料等非清洁能源的大量使用已造成严重的污染问题，绿色可再生能源的开发与有效利用以及环境保护成为全球共同关心的问题。发展能够实现高效能量存储和转换的二次电池不仅关系着国家经济发展和战略安全,而且与人民的生活息息相关,因此受到广泛的关注。

锂离子二次电池由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、工作温度宽和成本低等诸多优点，在消费类电子产品中得到广泛应用。传统液态电池由于电解液泄露、燃烧甚至爆炸等，而面临严重的安全性问题。近年来，基于固体电解质的固态电池逐渐成为研究热点，固体电解质的不可燃性和高稳定性,极大改善了电池的安全性问题。然而，单一固体电解质无法满足锂电池应用上的多种需求,严重阻碍高能量密度锂电池的发展。因此,亟需设计一种基于复合固体电解质的固态锂电池，通过简单可行的工艺,制备满足高电导率、宽电化学窗口、抗锂枝晶、机械强度高等多种性能要求的复合电解质，并应用到固态电池中，进而提高固态电池的能量密度、循环性和实际可操作性。目前，复合电解质膜制备工艺包含溶液喷涂法、流延成型法及溶液浇铸法等，其中，溶液喷涂法能形成贯通骨架，但其成膜步骤通常为先涂布成膜，后烧结，最后在灌入聚合物填料。该方法制备超薄电解质膜时，在烧结过程中容易发生卷曲，加工效率低，成品率低，可加工性较差。

发明内容

针对现有固态电池电解质加工性能以及电化学性能不理想的问题，本发明第一目的在于，提供一种超薄陶瓷基复合固体电解质膜(本发明也简称为固态电解质)的制备方法，旨在获得具有优异柔韧性、加工性能和电化学性能的材料。

本发明第二目的在于，提供所述的制备方法制得的陶瓷基复合固体电解质膜。

本发明第三目的在于，提供所述的陶瓷基复合固体电解质膜在电池中的应用。

本发明第四目的在于，提供装配有所述的陶瓷基复合固体电解质膜的固态电池。

针对陶瓷固态电解质而言，行业内主要的手段在于预先形成薄膜随后再进行焙烧，该工艺制得的陶瓷膜固态电解质膜形态不理想、电化学性能也不理想。针对该问题，本发明人早先尝试利用陶瓷块体切割方式制备超薄的固态电解质膜，然而，研究发现，对于电池有固态电解质而言，其要求具有一定的孔隙结构，然而孔结构的存在会显著增加薄片切割的难度，不仅如此，对于电池领域而言，超薄的材料理论上能够获得更好的电化学性能，然而，对于超薄切割特别是具有适度孔结构的超薄切片的难度会进一步增加；例如，带有孔结构的块体在切割成电池适用的超薄切片过程中极容易出现粉化、结构塌陷、薄片脆性较大、且电化学性能不理想等问题，针对块体切片制备超薄固态电解质方面面临的技术难点，本发明提供以下改进方案：

一种陶瓷基复合固体电解质膜的制备方法，将包含陶瓷固体电解质材料、造孔剂的原料压制成型，制得生坯块，随后进行多段热处理，制得多孔陶瓷块体；所述的多段热处理工艺包括在30-1500下的第一段热处理过程和在700-1500下的第二段热处理过程；原料中，造孔剂的含量为15～50wt.％；

将所述的多孔陶瓷块体浸泡在聚合物溶液中，干燥处理，得到复合陶瓷块体；

将复合陶瓷块体进行切割处理，即得所述的陶瓷基复合固体电解质膜。