一种原位合成的复合固态电解质材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及化学储能领域，具体涉及一种原位合成的复合固态电解质材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、自1990年被索尼公司商业化以来，锂离子电池占据着极大的市场份额。与其他储能器件相比，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和环境友好等诸多优点。目前，锂离子电池已广泛应用于便携类电子产品、电动汽车/混合动力汽车、长期储能系统等领域。然而由于使用有机电解液，传统的锂离子电池热稳定性差、燃点低，存在易漏液、燃烧甚至爆炸等安全问题，危及人的身体健康且不利于产业化的发展。

2、聚合物凝胶电解质可以有效避免有机电解液带来的安全问题，也使研发出安全稳定的锂金属电池成为可能，从而大大提高电池的能量密度。聚合物凝胶电解质具有热稳定性、力学性能优异、易加工等特点，其也表现出优异的电化学性能，如良好的离子导电率、电化学窗口较宽、与电极材料适配性良好等。聚偏氟乙烯（pvdf）及其共聚物聚偏氟乙烯-六氟丙烯（pvdf-co-hfp）、聚丙烯腈（pan）、聚甲基丙烯酸甲酯（pmma） 和聚环氧乙烷（peo） 等聚合物已在聚合物凝胶电解质中得到广泛研究。

3、但是聚合物凝胶电解质的原材料聚合物往往来自日益枯竭的化石燃料，同时使用的聚合物材料在自然环境的条件下通常无法降解，带来“白色污染”等环境问题。纤维素、甲壳素是自然中广泛存在的天然高分子材料，具有来源广泛、储量丰富、热稳定性好、机械性能优异、可再生、可自然降解等优势。因此利用天然高分子替换人工合成高分子来制备聚合物凝胶电解质，具有重要意义，并且为了充分体现使用天然高分子的环保特性，固态电解质中只有天然高分子作为唯一的骨架结构，而不会引入其他成分作为骨架，由于骨架成分唯一，从而大大提高了固态电解质骨架中天然高分子的比例，固态电解质更加环保。

4、但是，使用天然高分子作为固态电解质唯一的骨架结构，会存在结晶区多的问题，从而使得固态电解质的离子电导率低。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种原位合成的复合固态电解质材料及其制备方法和应用，以解决天然高分子作为固态电解质唯一的骨架结构时，会存在结晶区较多，从而使得固态电解质的离子电导率低的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，将无机填料加入天然高分子溶液或分散液中，并进行搅拌，得到第一混合溶液；

3、将液体电解液加入到第一混合溶液中，并进行搅拌，得到第二混合溶液；

4、将第二混合溶液进行成膜固化得到固态电解质；

5、天然高分子和无机填料的质量比为20:1-40:1。

6、优选的，作为一种改进，无机填料为惰性添加剂。

7、优选的，作为一种改进，无机填料包括二氧化硅、三氧化铝、二氧化钛或者沸石中的一种或者多种。

8、优选的，作为一种改进，天然高分子包括纤维素、木质素或者甲壳素中的一种或者多种。

9、优选的，作为一种改进，液体电解液为低蒸汽压的醚类电解液或者离子液体电解液的一种或者多种。

10、优选的，作为一种改进，电解液的溶剂包括tegdme、bmitfsi的一种或者多种，电解液使用的锂盐包括litfsi、lifsi的一种或者多种。

11、优选的，作为一种改进，成膜固化方式为：将第二混合溶液滴加到模具中，并进行冷冻干燥或者真空干燥方式中的一种操作；

12、在将第二混合液滴入到模具的腔室之前，在模具上方以及模具的腔室中铺上一层薄膜，薄膜贴在腔室的内壁上；

13、然后在薄膜上方铺上细线，细线横向通过各个腔室并放于腔室中，细线的两端位于模具的两端部；

14、然后将第二混合液滴入到模具腔室的薄膜上；

15、成膜固化后进行脱模。

16、优选的，作为一种改进，天然高分子与电解液的体积比为40：1-80：1。

17、为达到上述目的，本发明还采用如下技术方案：一种原位合成的复合固态电解质材料，由上述任一所述的原位合成的复合固态电解质材料制备方法制备得到。

18、本发明，利用天然高分子框架原位固定电解液，保证准固态电解质内部电解液的液体流动性和外部表现出固态性质，电解液的流动性克服了固态电解质电导率低、界面接触差等问题，在此基础之上，通过在制备方法中，加入无机填料，无机填料的加入为固态电解质提供了热稳定性，并增加了天然高分子的无定形区，通过加入无机填料降低了天然高分子的结晶区，从而改善电解质的离子电导率。

19、本发明中无机填料作为添加剂进行添加，加入的量少，同时无机填料和天然高分子不发生化学交联、反应，无机填料与天然高分子的复合为物理复合，无化学交联，因此本发明中的无机填料的加入不会起到骨架的作用，这样仍是天然高分子起到骨架的作用，从而保证了固态电解质的环保特性。

20、另外，本发明中无机填料的加入能够提高电解质框架的孔隙率，从而进一步提高了电解质的离子电导率，同时无机填料也能够提供阻燃的性能，使得锂离子电池安全性能、高容量性能得以提高。

21、为达到上述目的，本发明还采用如下技术方案：含有一种原位合成的复合固态电解质材料的固态金属电池。

22、本发明不仅对原位合成的复合固态电解质材料及其制备方法进行保护，同时还对应用了原位合成的复合固态电解质材料的固态金属电池进行保护。

技术特征：

1.一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，其特征在于：将无机填料加入天然高分子溶液或分散液中，并进行搅拌，得到第一混合溶液；

2.根据权利要求1所述的一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，其特征在于：所述无机填料为惰性添加剂。

3.根据权利要求2所述的一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，其特征在于：所述无机填料包括二氧化硅、三氧化铝、二氧化钛或者沸石中的一种或者多种。

4.根据权利要求1所述的一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，其特征在于：所述天然高分子包括纤维素、木质素或者甲壳素中的一种或者多种。

5.根据权利要求1所述的一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，其特征在于：所述液体电解液为低蒸汽压的醚类电解液或者离子液体电解液的一种或者多种。

6.根据权利要求5所述的一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，其特征在于：电解液的溶剂包括tegdme、bmitfsi的一种或者多种，电解液使用的锂盐包括litfsi、lifsi的一种或者多种。

7.根据权利要求1所述的一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，其特征在于：成膜固化方式为：将第二混合溶液滴加到模具中，并进行冷冻干燥或者真空干燥方式中的一种操作；

8.根据权利要求1所述的一种原位合成的复合固态电解质材料制备方法，其特征在于：所述天然高分子与电解液的体积比为40：1-80：1。

9.一种原位合成的复合固态电解质材料，其特征在于：由权利要求1-8任一所述的原位合成的复合固态电解质材料制备方法制备得到。

10.含有权利要求9所述的一种原位合成的复合固态电解质材料的固态金属电池。

技术总结
本发明涉及化学储能领域，具体涉及一种原位合成的复合固态电解质材料及其制备方法和应用；制备方法，将无机填料加入天然高分子溶液或分散液中，并进行搅拌，得到第一混合溶液；将液体电解液加入到第一混合溶液中，并进行搅拌，得到第二混合溶液；将第二混合溶液进行成膜固化得到固态电解质；天然高分子和无机填料的质量比为20:1‑40:1。通过本方案，解决了天然高分子作为固态电解质唯一的骨架结构时，会存在结晶区较多，从而使得固态电解质的离子电导率低的问题。

技术研发人员：罗均彬,罗钦,王联
受保护的技术使用者：重庆贝吉熊网络科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13