[发明专利]一种用于抑制锂枝晶生长的碳氮聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种用于抑制锂枝晶生长的碳氮聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用，该准固态电解质包括电解液、和电解液填充剂，所述电解液填充剂为轻质碳氮聚合物。本发明以轻质碳氮聚合物为电解液填充剂，制备得到一种能有效抑制锂金属电池中锂枝晶的生长的准固态电解质。其中轻质碳氮聚合物具有惊喜的分层结构，有利于电解液的吸收，从而形成泥状的准固态电解质，可用于抑制锂金属电池中锂负极枝晶的生长。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，特别涉及一种用于抑制锂枝晶生长的轻质碳氮聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术

以Li-S和Li-O₂为代表的锂金属电池由于比锂离子电池具有更高的能量密度而受到广泛重视。负极金属锂由于低的电压、高的理论比容量(3860mAh/g)，是这类高容量转化反应电池体系的最佳候选。然而，在电化学循环过程中，锂金属在负极表面发生不均匀的沉积/剥离，导致锂枝晶生长及其带来的电池电化学性能的恶化，锂枝晶甚至可以穿透隔膜导致电池短路。近年来，多种策略被尝试用于改善锂沉积过程，抑制锂枝晶生长。如将金属锂融化渗入到具有亲锂表面的导电框架基体中，构造出体积变化小的柔性金属锂负极，这样可以消除锂枝晶。通过构建三维纳米结构的集流体，用以取代二维的载锂平面，可以改善锂金属的沉积行为，从而避免锂枝晶的生长。改变电解液的本征属性、浓度或者引入电解液添加剂也是重要的策略，如基于离子液体或者高浓度的氟磺酰亚胺根离子(FSI^-)能有效保证锂金属电池高倍率、稳定的锂沉积过程，FSI^-能在锂金属表面还原(主要生成LiF)，原位形成稳固的固体电解液界面层(SEI)，进而确保锂金属沉积过程中不会产生锂枝晶。对于Li-S电池体系，锂的多硫化物和硝酸锂的同时加入可产生协同效应，加固SEI，从而保护锂负极免受腐蚀。对于隔膜的改性(如在隔膜纤维表面上引入极性的功能基团)也能有效确保锂金属在负极的均匀沉积。

相比于添加剂加强的电解液，固态或者准固态电解质具有更好的机械强度，被期望对锂枝晶有着更好的抑制作用。然而全固态电解质通常导电率不够，差的界面接触问题也难以解决。准固态电解质具有与电解液类似的电导率，以及良好的界面湿润能力，被认为是新型锂金属电池电解质的最佳候选之一。准固态电解质常常是将非水系电解液或锂盐加入聚合物骨架(如聚氧化乙烯)或者无机纳米颗粒(如纳米二氧化硅)填充物固化而成。电解质的准固态化不但不会导致电导率的显著降低，在有些情况下，由于空间电荷效应，反而可能增大其电导率。然而，传统的基于聚氧化乙烯的聚合物膜的机械强度较弱，不能有效抑制锂枝晶，常常需要添加硬质无机纳米颗粒加以改善。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高机械强度的新型聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种用于抑制锂枝晶生长的轻质碳氮聚合物基准固态电解质(用于抑制锂枝晶生长的碳氮聚合物基准固态电解质)，包括电解液、和电解液填充剂，所述电解液填充剂为轻质碳氮聚合物。

本发明以轻质碳氮聚合物为电解液填充剂，制备得到一种能有效抑制锂金属电池中锂枝晶的生长的准固态电解质。其中轻质碳氮聚合物具有惊喜的分层结构，有利于电解液的吸收，从而形成泥状的准固态电解质，可用于抑制锂金属电池中锂负极枝晶的生长。聚合物g-C₃N₄本身具有高的机械强度，分层结构的密堆积使机械强度进一步增强，因此作为电解液填充剂，g-C₃N₄能有效抑制锂枝晶的生长。当所述轻质碳氮聚合物基准固态电解质与锂金属负极接触时，该准固态电解质还具有与常规电解液同一数量级的界面阻抗，以及良好的界面附着力。而且在锂金属对称电池的长循环过程中，该准固态电解质能够极大减缓锂金属沉积/剥离过程中电压极化的增加，增强了电池的循环稳定性。