[发明专利]一种固态电解质膜、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于固态电解质领域，更具体地，涉及一种固态电解质膜及其应用。

背景技术

伴随着电动汽车的快速发展，传统的锂离子电池已经很难满足电动汽车高能量密度的要求，迫切需要开发更高能量密度的电池体系。锂空气电池因其超高的比容量和能量密度得到大家的广泛关注，其理论能量密度高达11430Wh/kg(不包括氧气)，它是一种以金属锂作为负极，空气中的氧气作为正极反应物的电池。由于正极的活性物质氧气来源于空气中，可从环境中直接获取而不用储存在电池内部，与锂离子电池相比具备更高的能量密度，近年来正成为全球范围内的研发热点。

锂空气电池一般包括负极、电解液和正极三个部分，根据电解液不同主要可以分为水系和非水系锂空气电池。水系锂空气电池的基本工作原理是当放电时发生氧气还原反应(ORR)，此时负极的金属锂释放电子后成为锂离子，锂离子穿过电解液到达正极，与氧气、水以及外电路传递来的电子结合生成氢氧化锂，并溶解在电解液中；在充电时，按上述反应可逆的进行，发生氧气生成反应(OER)。在水系锂空气电池中，由于负极的金属锂与电解液中的水会发生剧烈的反应，因此需要对金属锂进行保护，阻止金属锂与水的反应。目前，保护金属锂常用的方法是使用一层陶瓷固态电解质LISICON来隔绝金属锂片和水性电解液，固态电解质LISICON既能够传导锂离子，又能够阻止金属锂与水发生反应。

目前，这类固态电解质中普遍存在的问题是，其室温离子电导率比较低，且材质往往比较脆，通常需要达到一定的厚度(大于100微米)，才能保证所制成的陶瓷片具有足够的机械强度，不在使用中破裂。而厚度增加意味着固态电解质膜的电阻增加，离子导电能力下降，进而大大的限制了这类电解质的应用。因此，在相关领域需要一种设计来解决固态电解质离子导电能力与机械强度之间的矛盾。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固态电解质膜、其制备方法及应用，其目的在于通过将多孔陶瓷层和固态电解质层复合，提供一种离子传导性能好且机械强度足够的固态电解质膜，应用于制备锂空气电池，由此解决现有固态电解质膜离子传导性能和机械强度之间的矛盾，应用于制备锂空气电池内阻高、性能不佳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固态电解质膜，包括固态电解质层和多孔陶瓷层，所述固态电解质层厚度在0.5微米至10微米之间，所述多孔陶瓷层厚度在100微米至300微米之间，所述固态电解质层均匀覆盖在多孔陶瓷层上。

优选地，所述固态电解质膜，其固态电解质层的室温离子电导率在10^-5至10^-6西门子/厘米。

优选地，所述固态电解质膜，其述固态电解质层的材质为NASICON型锂离子导体Li_1+xTi_2-xM_x(PO₄)₃、Li_1+xGe_2-xM_x(PO₄)₃(0.1<x<0.7，M＝Al，Ga，In，Sc)、钙钛矿型锂离子导体Li_3xLa_(2/3)-xTiO₃(0<x<0.16)、LISICON型锂离子导体Li₁₄ZnGe₄O₁₆或石榴石型锂离子导体Li₅La₃M₂O₁₂(M＝Ta，Nb)。

优选地，所述固态电解质膜，其多孔陶瓷层的抗弯曲强度在80N/mm²至170N/mm²之间。

优选地，所述固态电解质膜，其多孔陶瓷层为利用造孔剂得到的多孔氧化锆陶瓷、介孔硅胶、双通阳极氧化铝或梯度孔径分布的陶瓷超滤膜。

按照本发明的另一方面，提供了一种所述的固态电解质膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)固态电解质前驱体的制备：按照目标固态电解质的元素比例将相应元素的原料均匀分散于有机溶剂中，烘干制得所述原料均匀混合的粉末，将所述粉末在500℃至700℃下烧结制得所述固态电解质前驱体粉末；