[发明专利]一种固态电解质、包含固态电解质的电极和固态锂电池

说明书

本发明涉及一种固态电解质、包含固态电解质的电极和固态锂电池，所述固态电解质包括聚合物，所述聚合物含有柔性主链和刚性链段，所述柔性主链含有醚基单元和丙烯酸酯类单元；所述刚性链段含有带脲基基团的烯烃化合物单元。所述固态电解质具有柔性聚合物和刚性聚合物的综合性能，将含有取代或未取代官能团的二聚体脲基单元引入主链，提高柔性聚合物的刚性，从而提升聚合物电解质强度；通过调整二聚体含量，可以调控聚合物电解质的机械性能。该固态电解质有利于进一步提升锂离子电池的安全性能，尤其抗枝晶方面表现优异，具有极好的市场运用前景。

技术领域

本发明涉及固态电解质机械性能改性技术领域，尤其是一种固态电解质、包含固态电解质的电极和固态锂电池。

背景技术

锂离子电池自20世纪90年代由索尼公司实现产业化后，在3C产品、大规模储存、以及现在的新能源动力电池等领域发挥了重要作用。随着科技的进步，社会对于锂离子电池提出了更高的要求，包括高比能量、高安全性和长循环寿命等。因此，开发兼具上述要求的锂离子电池来满足人们的要求迫在眉睫。

传统的锂离子电池多采用醚类、碳酸酯类等液态有机电解液作为电解质，但液态电解质存在易漏液、易挥发、易燃易爆等问题。另外，电池在循环过程中，不均匀沉积的锂枝晶会刺穿隔膜，引发电池短路甚至安全事故。为了解决上述问题人们将目光转移到了固态电解质上。通常来说，固态电解质具有热稳定性、化学稳定性、电化学稳定性和较好的机械强度等优势。因此固态电解质的使用可以从根本上消除安全隐患。同时固态电解质具有较高的电化学稳定性窗口(＞4.7V)，因此可用于高压正极材料，进而提高锂电池的比能量。此外，固态电解质也能够实现高的锂离子传输，促进锂金属的均匀沉积。

现阶段固态电解质包括无机固体电解质、凝胶聚合物电解质和固体聚合物电解质。其中固体聚合物电解质具有较高的锂离子电导率和电极/电解质接触界面，同时优异的柔性和延展性使其最具商业化前景。但是，聚合物的结晶性导致机械性能和离子电导率之间的难以解耦。传统的基于线性聚乙烯基醚(PEO)的固体电解质在室温下结晶度高导致其室温锂离子电导率低，并且机械性能也较差，通过添加无机填料或者有机增塑剂可以提高聚合物固体电解质的离子电导率，但是会导致结晶度降低而影响固体聚合物电解质的力学性能；化学交联可以有效提高聚合物的机械强度，但是通常会形成结晶度高、锂离子电导率低的刚性聚合物。通过聚合物分子中柔性链段的链段运动可以有效地传导锂离子，增加聚合物电解质分子柔性链段的占比可以有效地促进离子的输运过程。根据“刚柔并济”的设计理念通过将刚性链段与柔性主链相结合可以有效地缓解固态聚合物电解质高机械性能与高室温离子电导率难以兼具的矛盾。

聚乙二醇单元是一种常见的可加工的PEO基聚合物，其具有易加工、成本低、生物相容性高和无污染等优点，可将其用做柔性主链。但是其机械性能较差，无法抑制锂枝晶的形成，造成电池循环寿命短。目前基于PEO的固态聚合物电解质依然难以满足锂金属电池的实际使用需求。存在的主要问题是高室温离子电导率与优秀的机械性能难以兼得。上述问题极大的限制了固态电解质的实际应用和固态锂金属电池的发展。

发明内容

为了解决上述问题，本专利发明了一种具有多功能链段的聚合物以及用其制备的聚合物电解质，通过刚性链段的引入可以有效的调控聚合物电解质的机械性能，在保持高离子电导率的情况下具备可控的力学性能。

具体方案如下：

一种固态电解质，所述固态电解质包括聚合物，所述聚合物含有柔性主链和刚性链段，所述柔性主链含有醚基单元和丙烯酸酯类单元，所述柔性主链包含结构式如式(1)所示的链段：