[发明专利]用于锂二次电池的固态电解质

说明书

提供了一种用于可再充电锂电池的固态电解质组合物。该电解质组合物包含锂离子传导聚合物基质或粘合剂以及分散在该聚合物基质或粘合剂中或通过该聚合物基质或粘合剂化学结合的锂离子传导无机物种，其中该锂离子传导无机物种选自Li₂CO₃、Li₂O、Li₂C₂O₄、LiOH、LiX、ROCO₂Li、HCOLi、ROLi、(ROCO₂Li)₂、(CH₂OCO₂Li)₂、Li₂S、Li_xSO_y、或其组合，其中X＝F、Cl、I、或Br，R＝烃基，x＝0‑1，y＝1‑4；并且其中该聚合物基质或粘合剂的量是该电解质组合物的从1体积％至99体积％。还提供了用于生产这种固态电解质的方法和含有此种固态电解质的锂二次电池。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年1月4日提交的美国专利申请号14/998,411的优先权，所述专利申请通过援引方式并入本文。

技术领域

本发明提供一种用于锂离子电池或可再充电锂金属电池(具有锂金属作为阳极活性材料)的固态电解质。

背景技术

可再充电锂离子(Li-离子)、锂金属、锂-硫和Li金属-空气电池被认为是用于电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)和便携式电子装置，诸如膝上型计算机和手机的有前途的电源。与作为阳极活性材料的任何其他金属或金属插层化合物(除具有4,200mAh/g的比容量的Li_4.4Si之外)相比，作为金属元素的锂具有最高的锂储存容量(3,861mAh/g)。因此，通常，Li金属电池(具有锂金属阳极)具有比锂离子电池(具有石墨阳极)显著更高的能量密度。

历史上，使用具有相对高比容量的非锂化的化合物(诸如TiS₂、MoS₂、MnO₂、CoO₂、和V₂O₅)作为与锂金属阳极偶联的阴极活性材料来生产可再充电锂金属电池。当电池放电时，锂离子通过电解质从锂金属阳极转移到阴极，并且阴极变得锂化。不幸的是，在重复充电和放电时，锂金属导致阳极处形成枝晶，这些枝晶最终引起内部短路、热失控、和爆炸。由于与这一问题有关的一系列事故，在二十世纪九十年代早期停止了这些类型的二次电池的生产，取而代之的是锂离子电池。

即使现在，对于EV、HEV和微电子装置应用而言，循环稳定性和安全性问题依然是妨碍Li金属电池(例如锂-硫和锂-过渡金属氧化物电池单元)进一步商业化的主要因素。再次，锂金属可再充电电池的循环稳定性和安全性问题主要与Li金属在重复充电-放电循环或过充电期间形成枝晶结构的高倾向性(导致内部电短路和热失控)有关。这种热失控或甚至爆炸是由电解质中使用的有机液体溶剂(例如，碳酸酯和醚家族的溶剂)引起的，这些有机液体溶剂不幸地是高度挥发性和易燃的。

已经进行了许多尝试来解决枝晶和热失控问题。然而，尽管有这些先前的努力，但没有可再充电的Li金属电池在市场上取得成功。这可能是由于这些现有技术方法仍具有重大缺陷的观点。例如，在若干种情况下，设计用于防止枝晶的阳极或电解质结构太复杂。在其他情况下，这些材料太昂贵，或者用于制造这些材料的方法太费力或困难。在大多数锂金属电池单元和锂离子电池单元中，电解质溶剂是易燃的。迫切需要一种更简单、更具成本效益且更容易实施的方法来防止Li金属电池和其他可再充电锂电池中的Li金属枝晶诱发的内部短路和热失控问题。