[发明专利]锂-硫二次电池用全固态聚合物电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂-硫二次电池用全固态聚合物电解质及其制备方法和应用，属于锂-硫二次电池制造技术领域。

背景技术

由于锂离子二次电池具有体积小、重量轻和比能量高等优点，在便携式消费电子产品中占据主流地位，但是电动汽车的发展迫切需要开发出更高比能量的二次电池，而锂-硫电池具有比能量高(理论比能量高达2600Wh/Kg)、成本低和环境友好等优势，是电动汽车的理想动力之一。然而，单质硫的室温电导率只有5×10^-30S/cm，近乎于电子绝缘；硫电极循环性能差，中间产物易在有机电解液中溶解，这些缺陷抑制了锂-硫电池的应用。

针对锂-硫电池的这些缺陷，研究人员主要从两个方面来提高锂-硫电池的性能：一是改变现有锂离子二次电池电解液配方，添加各种不同的功能添加剂，降低多硫产物在电解液中的溶解度，改善循环性能。研究发现在用二氧戊环(DOL)、二甲氧基乙烷(DME)、四乙二醇二甲醚(TEGDME)等溶剂配成的电解液中多硫产物反应活性和可逆性提高，电池性能改善。中国专利ZL 03154619.6也中描述到当锂-硫电池包含具有酰亚胺阴离子的盐作为电解质时，硫的利用率得到提高，并且循环寿命和放电特性如放电容量和放电平台也得到改善。二是硫正极的改性，主要是用各种碳材料来吸附硫，达到提高硫正极电导率，降低多硫产物的溶解的目的。中国专利ZL 201010255445.6用含碳纳米管的硫基正极材料与金属锂负极组成的锂-硫电池室温下充放电可逆比容量达到697mAh/g，并且有良好的循环性能。

但是目前，由于液态电解制或凝胶聚合物电解质与金属锂匹配时，金属锂负极容易产生枝晶，冲破隔膜而短路的情况，且采用普通电解液的锂-硫电池，正极活性物质的利用率和循环稳定性差，导致锂-硫电池的应用受限。

发明内容

本发明的第一个目的在于，针对上述提出一种新的电解质，全固态聚合物电解质。该电解质在锂-硫二次电池中既作为电解质又作为隔膜的双重作用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明全固态聚合物电解质包括聚环氧乙烷(PEO)、Li₄Ti₅O₁₂粒子和锂盐；其中锂盐与PEO中EO基的摩尔比为1∶2～32；Li₄Ti₅O₁₂粒子与PEO的质量比为0.01～0.25∶1；所述锂盐为LiClO₄、LiPF₆、LiBF₄、LiCF₃SO₃或LiTFSI。

本发明的全固态聚合物电解质中加入的Li₄Ti₅O₁₂粒子为离子导体，Li⁺扩散系数比碳负极材料还高，在提高全固态聚合物电解质电导率的同时还增加了载流子浓度，30℃时全固态聚合物电解质电导率大于10^-4S/cm，远高于PEO/锂盐30℃电导率10^-6～10^-7S/cm。

作为本发明优选的方案，Li₄Ti₅O₁₂粒子的粒径为0.05～1um。

作为本发明优选的方案，锂盐与PEO中EO基的摩尔比为1∶6～20；Li₄Ti₅O₁₂粒子与PEO的质量比为0.05～0.20∶1。

更有选的是，锂盐与PEO中EO基的摩尔比为1∶8～16；Li₄Ti₅O₁₂粒子与PEO的质量比为0.1～0.15∶1。

本发明全固态聚合物电解质的制备方法包括以下步骤：

(1)将锂盐与有机溶剂混合搅拌均匀，然后将聚环氧乙烷(PEO)粉末加入上述混合液中继续搅拌至均匀，其中锂盐与PEO中EO基的摩尔比为1∶2～32，优选1∶6～20，更优选1∶8～16；PEO与溶剂的质量比1∶10～100，优选1∶20～90，更优选1∶20～50。