[发明专利]一种聚合物导电纤维增韧的硫化物复合电解质

说明书

本发明公开了一种聚合物导电纤维增韧的硫化物复合电解质及其在室温全固态锂电池中的应用。通过仿生模拟自然界中竹纤维对竹体的增韧行为，向硫化物无机快离子导体中复合一维纳米聚合物锂离子导电纤维，纤维长1‑1000μm，直径10‑1000 nm，按同一方向平行排列，导电纤维均匀分布于复合结构的表面或内部。此结构提高了硫化物无机快离子导体抵御受力变形的能力，将无机硫化物快离子导体的断裂强度由不高于0.70 MPa m^1/2提高到1.2‑1.4 MPa m^1/2。本发明还公开了上述复合电解质结构所组装的全固态锂电池。

技术领域

本发明涉及一种全固态锂电池技术，特别是涉及一种应用于全固态锂电池的聚合物导电纤维增韧的硫化物复合电解质。

背景技术

为解决日益严峻的能源紧缺、环境污染、资源枯竭等问题，锂离子电池作为电动汽车的动力电池以及太阳能、风能等新能源的储能电池被寄予厚望。商品锂离子电池以液态有机物作为电解质。液态电解质（电解液）具有电导率高，与电极材料表面有良好的润湿性等优点，但其电化学窗口窄（电化学稳定性差）、热稳定性差，正负极之间仅非常薄热塑性多孔隔膜阻隔，在电池的封装、运输、充放电过程中存在内部短路的隐患，而一旦此类电池发生内短路，轻则使电池失效，重则使电池起火甚至爆炸。因此，传统锂离子电池已无法满足当代社会对电池提出的高能量密度、长循环稳定性以及高安全性的要求。相比于液态电解质，固态电解质电化学窗口宽、热稳定性好、不（易）燃烧，以固态电解质取代液态电解质，提高电池的能量密度，并从根本上解决锂离子电池安全性问题已成为共识。

锂离子电池常用固态电解质材料主要分为两大类：有机聚合物和无机陶瓷。聚合物电解质塑性好，与电极材料界面相容性好，但室温下锂离子电导率偏低，例如，室温下PEO基的聚合物电解质锂离子电导率仅为10^-5 - 10^-8 S cm^-1 (J. Mater. Res., 2000, 15,1950 - 1954)。而无机陶瓷电解质尤其硫系电解质室温下电导率较高，其中，Kanno等人在2011年报道的Li₁₀GeP₂S₁₂硫化物陶瓷其室温下锂离子电导率达到10^-2 S cm^-1 (NatureMaterials, 2011, 10, 682 - 686)，超过了迄今为止合成的绝大多数固态甚至液态电解质，将极大地推动全固态锂离子电池的发展。但是无机陶瓷硬度大，导致与电极的实际接触面积小，导致固-固界面阻抗大。随着电池充放电的进行，电极活性物质材料体积不断变化，导致电极与电解质的实际接触面积越来越小，电池性能越来越差。此外，超薄高硬度，高脆性的无机快离子导体无法大面积制备，延缓了高离子电导率无机快离子导体的商业化进程。任何一种单一的电解质材料均不能满足高性能锂离子电池对电解质锂高离子电导率、宽电化学窗口、与电极界面（电）化学稳定性以及高安全性的要求。