[发明专利]固态电解质及其制备方法、异质结纳米纤维、全固态锂电池

说明书

本发明公开了一种固态电解质及其制备方法、异质结纳米纤维、全固态锂电池，该固态电解质包含聚合物、锂盐和异质结纳米纤维，异质结纳米纤维通过在钛酸铋上原位生长二维纳米片状的溴氧化铋形成，钛酸铋具有铁电陶瓷性且呈多孔结构纳米纤维状，钛酸铋的XRD衍射峰符合JCPDS卡片NO.35‑0795，溴氧化铋的XRD衍射峰符合JCPDS卡片NO.09‑0393；制备时先制成异质结纳米纤维，然后与其他组分制成浇铸液，再转移至具有预设形状的基体上，干燥，制得；该固态电解质能够同步实现锂盐的有效解离和锂离子的快速传输，以获得高离子电导率，且能够提高全固态锂电池的电化学性能等，可以较好地应用在全固态锂电池中。

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及固态锂电池，具体涉及一种固态电解质及其制备方法、异质结纳米纤维、全固态锂电池。

背景技术

伴随着新能源的不断发展，开发安全且便捷的高效储能设备成为科研人员们的重要任务。锂离子电池由于具有能量密度高、工作电压高、无记忆效应和环境友好等优点，已在许多领域获得了广泛的应用。然而，近年来频繁出现的自燃、爆炸等安全事故要求发展更加安全的锂电池。全固态锂电池中固态电解质完全替代了传统液态锂离子电池中的有机电解液和隔膜，降低了电池的质量和体积，提高了电池的体积能量密度，拥有优异的安全性能。因此，性能优异的全固态锂电池的开发备受瞩目。

固态电解质作为全固态锂电池中的一个重要组成部分，直接影响全固态锂电池的性能。为了提高全固态锂电池的综合性能，开发出具有高效的锂离子传输性能的固态电解质是未来全固态锂电池的重要发展方向。用于全固态锂电池的固态电解质一般可分为两大类：聚合物固态电解质和无机固态电解质。目前，无机固态电解质具有较高的锂离子电导率、良好的电化学稳定性和良好的抑制锂枝晶能力，但其固有的脆性、电解质和电极界面接触不良，高昂的制造成本限制了它的广泛应用；相比之下，聚合物固态电解质主要是锂盐和聚合物的混合物，通常具有良好的柔韧性和相对紧密的电极粘附性，可以有效适应电池循环过程中电极的体积膨胀，从而实现电解质和电极优异的界面相容性，并且制造成本较低，机械性能良好。具有螺旋构象的聚醚类化合物聚环氧乙烷（PEO），因其较高的介电常数、较强的锂离子溶剂化能力、较好的分子链柔性，成为最有吸引力的固态聚合物电解质材料之一。然而，由于PEO聚合物电解质解离锂盐和传输离子的能力较差，PEO聚合物固态电解质在面临实际应用的严苛环境时还存在离子电导率低，锂离子在聚合物固态电解质中迁移慢等问题。

天津工业大学邓南平等人通过纺丝技术和煅烧工艺制备了多孔铁电陶瓷钛酸铋（Bi₄Ti₃O₁₂）纳米纤维（BIT NFs），并将其作为纳米填料混合在PEO/LiTFSI（LiTFSI为双三氟甲基磺酸亚酰胺锂）体系中制备出了BIT NFs改性的复合固态电解质（BIT NFs/PEO/LiTFSI），实现了聚合基电解质离子电导率和界面稳定性的双重提升。50℃下，BIT NFs/PEO/LiTFSI电解质的离子电导率为6.25×10^-4S·cm^-1，锂离子转移数为0.47。50℃下，Li/Li电池在0.2mA·cm^-2的电流密度下可稳定循环3000h；LiFePO₄/Li电池在0.2mA·cm^-2条件下循环1000次后的比容量为118.2mAh·g^-1。LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂/Li电池在0.1mA·cm^-2条件下可稳定循环100次，且100次循环后电池的库伦效率为99.25%。然而，该方式虽然在一定程度上解决了PEO聚合物固态电解质在面临实际应用时存在的离子电导率低等问题，但是，一方面，其离子电导率和锂离子迁移数均有待提高，另一方面，其构建的电池的循环稳定性能仍存在不足，循环次数相对较少。

发明内容