一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用

本发明涉及锂金属电池，更具体地，涉及一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、固态电解质是一种理想的解决锂金属电池安全性的电解质材料。其中，无机固态电解质本征离子电导率高，机械性能好，可在锂负极侧抑制锂枝晶的生长，但其难以匹配正极，特别是多孔正极，带来极高的界面阻抗。与此不同，聚合物固态电解质柔韧性好，可与正极侧形成良好的界面接触。但是其较低的模量，使得其难以抑制负极侧锂枝晶的生长，并且由于聚合物固态电解质的离子电导率极低，导致其难以满足实际使用需求。

2、为了提高聚合物固态电解质的离子电导率，最常用的方法是向基体中加入无机填料，如导锂离子填料锂镧锆氧、锂镧锆钽氧、磷酸钛铝锂和惰性填料二氧化硅、二氧化锌、三氧化二铝，前者可构建额外的离子输运通道，后者可降低聚合物结晶度，最终使离子电导率提高。在构建复合聚合物固态电解质的时候，大部分研究者们特别关注填料的均匀分布，这样，既可以使离子输运通道变得均匀，也可以使机械性能比较均匀，从而最大程度限制锂枝晶的生长。但均匀分散的结构，使正极侧也具有较高的模量，这使电解质不能和疏松多孔的正极匹配，从而降低正极侧界面相容性。事实上，通过均匀锂离子输运通道的方法诱导锂离子的均匀沉积，并不需要填料在整个电解质中垂直电极方向上均匀分布，只需要在靠近电极的界面层，平行电极方向均匀分布即可。但多层结构又引入了新的有机-无机界面，可能会给电池整个的界面相容性带来负作用。因此，现有技术中存在界面相容性差的问题。除此之外，在构建填料横向均匀分布界面层的时候，也存在一些难题。如果使用导离子填料，即使其分布均匀，它的离子传输能力与聚合物本身差异巨大，也会使锂离子输运不够均匀，还是存在枝晶生长的风险。与此同时，复合聚合物固态电解质体系中，离子的解离与输运很大程度上依赖于聚合物本身，会导致游离锂离子的数量有限，不足以均匀的贴着电极沉积，而会被电势更高的锂凸起所吸引，并加速凸起生长为锂枝晶甚至死锂。因此，如何提高聚合物固态电解质的锂盐解离能力成为又一个难题。

技术实现思路

1、鉴于以上内容，本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用。通过本发明提供的聚合物固态电解质及其方法制备的固态聚合物电解质，有着较高离子电导率和锂离子迁移数，基于本发明所述固态聚合物电解质制备的锂离子电池具有良好的电池循环稳定性。同时该制备方法工艺流程简单，适于大规模工业生产中应用。

2、为此，第一方面，本发明实施例提供了一种固态聚合物电解质的制备方法，所述制备方法包括：混合溶液制备：将聚偏氟乙烯及其共聚物、锂盐和惰性填料加入到溶剂中，混合搅拌均匀，得到混合溶液；电解质膜的制备：将混合溶液置于玻璃培养皿中，于高温下进行挥干处理，即制得所述固态聚合物电解质。

3、优选地，所述聚偏氟乙烯及其共聚物、所述锂盐和所述惰性填料的质量比为2：[1-4]：[0.2-0.6]。

4、优选地，所述聚偏氟乙烯及其共聚物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、-聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯的一种或几种。

5、优选地，所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂中的一种或几种。

6、优选地，所述锂盐的纯度大于99.9％。

7、优选地，所述惰性填料为锆钛酸铅陶瓷，呈颗粒状，且其粒径为400-600纳米，常温常压及10hz下介电常数在50-5000之间。

8、优选地，所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种。

9、优选地，所述挥干处理的步骤依次包括鼓风挥干和真空挥干，其中鼓风烘干的温度和时间分别为45-65℃、18-22h，真空烘干的温度和时间分别为45-65℃、1-3h。

10、第二方面，本发明实施例提供了一种应用上述第一方面所提供的固态聚合物电解质的制备方法制备得到的固态聚合物电解质材料。

11、第三方面，本发明实施例提供了一种锂金属电池，包括上述第二方面所述的固态聚合物电解质材料。

12、本发明实施例提供的固态聚合物电解质的制备方法，在混合溶液中添加锆钛酸铅，基于锆钛酸铅较高的介电常数，可以促进锂盐的解离和诱导锂离子均匀沉积，提升固态聚合物电解质的离子电导率的特性，并有效抑制锂枝晶生长，从而制备出高性能的固态聚合物电解质，该固态聚合物电解质具有较高的室温离子电导率和锂离子迁移数。而且，以本发明所制备的固态聚合物电解质为原料构成的锂金属电池具有较高的放电比容量以及良好的循环稳定性，前景发展广阔。

技术特征：

1.一种固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述聚偏氟乙烯及其共聚物、所述锂盐和所述惰性填料的质量比为2：[1-4]：[0.2-0.6]。

3.根据权利要求1所述的固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述聚偏氟乙烯及其共聚物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、-聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述锂盐的纯度大于99.9％。

6.根据权利要求1所述的固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述惰性填料为锆钛酸铅陶瓷，呈颗粒状，且其粒径为400-600纳米，常温常压及10hz下介电常数在50-5000之间。

7.根据权利要求1所述的固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种。

8.根据权利要求3所述的固态聚合物电解质的制备方法，其特征在于，所述挥干处理的步骤依次包括鼓风挥干和真空挥干，其中鼓风烘干的温度和时间分别为45-65℃、18-22h，真空烘干的温度和时间分别为45-65℃、1-3h。

9.一种固态聚合物电解质材料，其特征在于，所述固态聚合物电解质材料应用了包括如权利要求1-8任一项所述的固态聚合物电解质的制备方法。

10.一种锂金属电池，其特征在于，所述锂离子电池包括了如权利要求9所述的固态聚合物电解质。

技术总结
本发明公开了一种固态聚合物电解质及其制备方法和应用，本发明所述制备方法包括：混合溶液制备：将聚偏氟乙烯及其共聚物、锂盐和惰性填料加入到溶剂中，混合搅拌均匀，得到混合溶液；电解质膜的制备：将混合溶液置于玻璃培养皿中，于高温下进行挥干处理，即制得所述固态聚合物电解质。根据本发明制备的固态聚合物电解质，基于锆钛酸铅介电常数较高的特性，可以促进锂盐高效解离和诱导锂离子均匀沉积，抑制锂枝晶快速生长，提升固态聚合物电解质循环稳定性，具有较高的室温离子电导率和锂离子迁移数。而且，以本发明所制备的固态聚合物电解质为部件构成的锂金属电池具有较高的放电比容量以及良好的循环稳定性，前景发展广阔。

技术研发人员：黄妍斐,亢本昊
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13