一种超锂离子传导锂硫电池固态电解质的制备方法及应用

本发明属于固态锂电池，涉及一种超锂离子传导固态锂硫电池电解质的制备方法及应用。

背景技术：

1、锂离子电池因其具有能量密度大、循环寿命长、无记忆效应、自放电小等优点，受到了研究者的广泛关注，已经成为人们生产、生活中不可或缺的储能器件，有着十分广泛的应用。传统商用锂离子电池由于采用易燃的有机液态电解液，存在着安全隐患。与传统锂离子电池相比，全固态锂离子电池具有更好的安全性、更高的能量密度、更简单的组装流程，因此全固态锂离子电池逐渐成为研究的重点。

2、全固态锂离子电池的关键技术在于固体电解质，包括无机固态电解质和聚合物固态电解质。无机固体电解质电导率高，锂离子迁移数接近于1，但是其电解质与电极的固-固界面接触性差，界面电阻较大；聚合物固态电解质具有较好的柔韧性，能够很好的与电极兼容，但是通常电导率较低。所以使用单一的无机固态电解质或者聚合物固态电解质很难满足实际应用需求。

3、基于此，聚合物-无机物复合全固态电解质成为研究的重点。然而，传统的通过机械混合的方式得到的复合固态电解质通常会出现无机颗粒团聚、无机物在聚合物中分布不均匀的问题，无法形成有效的锂离子传输通道。因此，需要提供一种新的聚合物-无机物复合固态电解质以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种超锂离子传导固态锂硫电池电解质的制备方法及应用。本发明的技术方案如下：

2、一种超锂离子传导固态电解质的制备方法，其包括以下步骤：

3、通过在超锂离子导体lgps和聚合物-聚氧化乙烯peo中加入硅烷偶联剂-三甲氧基-[3-(2-甲氧基乙氧基)丙基]硅烷(c9h22o5si，me-tms)，合成一种超锂离子传导固态电解质；其中，me-tms作为连接超锂离子导体lgps与聚合物-聚氧化乙烯peo的桥梁，通过化学键进行定向结合，使得lgps均匀分布于peo基质中。

4、进一步的，所述超锂离子导体lgps的化学表达式为li10gep2s12。

5、进一步的，所述超锂离子导体li10gep2s12纳米颗粒的合成步骤具体为：

6、(1)将380mg硫化锂(li2s)、380mg五硫化二磷(p2s5)和240mg二硫化锗(ges2)装入充满氩气的玛瑙球磨罐中球磨60h；

7、(2)将球磨好的粉末转移至石英安瓿瓶中真空密封好放入管式炉，550℃加热保温8h；

8、(3)将烧结产物粉碎研磨得到lgps粉体；

9、(4)所有操作均在氩气氛围保护下进行。

10、进一步的，所述合成超锂离子传导固态电解质的步骤具体包括：

11、(1)将29.8mg lgps与64.8mg me-tms溶于1ml无水乙腈中，油浴加热至溶液温度60℃并在持续搅拌条件下保温12h，得到溶液a待用；

12、(2)将220mg peo和78mg双三氟甲烷磺酰亚胺锂litfsi溶于4ml无水乙腈中室温搅拌1h，得到均相溶液b,并将其加入到上述制备的a溶液中；在室温下缓慢搅拌该混合液以避免气泡的产生；

13、(3)将其浇铸在厚度为1.5mm的聚四氟乙烯模具中，在室温氩气保护氛围下干燥1天，再50℃真空干燥1天，得到厚度为100μm的固态电解质。

14、一种锂硫电池，包括正极壳、锂片、硫正极、钢片、弹簧片及负极壳，其还采用任一项所述的制备方法制备的超锂离子传导固态电解质。

15、本发明的优点及有益效果如下：

16、本发明提供的超锂离子导体均匀分布于聚合物中，其具有电导率高、锂离子迁移数大、与金属锂兼容性好等优点，可以有效抑制锂枝晶的生长，在锂硫电池中表现出高容量、高充放电电压等优点。

17、本发明通过在超锂离子导体(li10gep2s12，简写lgps)和聚合物-聚氧化乙烯(peo)中加入硅烷偶联剂-三甲氧基-[3-(2-甲氧基乙氧基)丙基]硅烷(me-tms)，合成一种超锂离子传导固态电解质。me-tms可以作为连接lgps与peo的桥梁，通过化学键进行定向结合，使得lgps均匀分布于peo基质中。因此，本发明提供的超锂离子导体聚合物电解质能够解决传统的机械混合方法造成的无机颗粒团聚、分散不均匀的问题。

18、使用me-tms的原因：(1)其分子结构与peo相似，能够避免相分离；(2)硅烷偶联剂中的si能够和lgps中的s形成化学键，从而把无机电解质和聚合物电解质有效地连接起来；(3)me-tms具有较高的锂离子迁移数；(4)其分子结构中的–och3末端基团能够提高固态电解质的电化学稳定窗口，增强与电极界面的兼容性。

技术特征：

1.一种超锂离子传导固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种超锂离子传导固态电解质的制备方法，其特征在于，所述超锂离子导体lgps的化学表达式为li10gep2s12。

3.根据权利要求2所述的一种超锂离子传导固态电解质的制备方法，其特征在于，所述超锂离子导体li10gep2s12纳米颗粒的合成步骤具体为：

4.根据权利要求3所述的一种超锂离子传导固态电解质的制备方法，其特征在于，所述合成超锂离子传导固态电解质的步骤具体包括：

5.锂硫电池，包括正极壳、锂片、硫正极、钢片、弹簧片及负极壳，其特征在于，还采用权利要求1-4任一项所述的制备方法制备的超锂离子传导固态电解质。

技术总结
本发明请求保护一种超锂离子传导锂硫电池固态电解质的制备方法及应用，通过在超离子导体Li<subgt;10</subgt;GeP<subgt;2</subgt;S<subgt;12</subgt;(LGPS)和聚合物‑聚氧化乙烯(PEO)中加入硅烷偶联剂‑三甲氧基‑[3‑(2‑甲氧基乙氧基)丙基]硅烷(C<subgt;9</subgt;H<subgt;22</subgt;O<subgt;5</subgt;Si，ME‑TMS)，合成一种超锂离子传导固态电解质；其中，ME‑TMS作为连接超锂离子导体LGPS与聚合物‑聚氧化乙烯PEO的桥梁，通过化学键进行定向结合，使得LGPS均匀分布于PEO基质中。本发明提供的超锂离子传导固态电解质具有电导率高、锂离子迁移数大、与金属锂兼容好等优势，并且可以有效抑制锂枝晶的生长，在锂硫电池中表现出高比容量、高充放电电压等优点。

技术研发人员：刘玉平,邵亚欣,刘涛,刘双翼
受保护的技术使用者：中国科学院重庆绿色智能技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15