[发明专利]固体电解质

说明书

本发明涉及一种固体电解质，其包括为聚乙烯醇缩醛或聚乙酸乙烯酯或者具有乙烯醇缩醛单元和/或乙酸乙烯酯单元的共聚物的第一聚合物，该固体电解质掺杂有锂盐或钠盐。本发明还涉及将包括第一聚合物和LAGP陶瓷的固体电解质成形为膜的方法。该固体电解质可以用作如Li‑空气电池等电池中的离子导电膜。

技术领域

本发明涉及固体电解质。固体电解质作为电池中的离子导电膜分隔器是有用的。特别地，本发明涉及膜分隔器，其适合用于如具有锂阳极的电池，特别是锂-空气电池或锂-硫化物电池(lithium-sulfide battery)等其中阳极与水溶液反应的电池。然而，固体电解质在包括但不限于钠离子电池和氧化还原流体电池的其它应用中是有用的。

背景技术

在本说明书中列出或讨论先前公布的文献不应被视为承认该文献是现有技术的一部分或是公知常识。

各种先进的储能系统关键取决于防止锂或锂合金阳极与阴极电解液或阴极材料化学反应的快速锂离子导电膜的可用性。可再充电Li-空气电池(LABs)可能是当前可用的储能系统的替代品，因为它们允许极高的比能量。与常规的依赖于有机电解质的Li-空气电池相比，利用水性阴极电解液(aqueous catholytes)的LABs的特征在于，理论能量密度略低，但是由于放电产物在所选择的水性阴极电解液中的高溶解度，使得显示较高的电位以达到实际装置的理论极限同时具有优异的功率性能、能量效率和体积能量密度。

水性和混合(hybrid)LABs需要允许快速Li⁺离子输送但是安全地防止锂金属阳极与阴极电解液的化学反应的快速离子导电阳极保护膜。已经成功地用作水性/混合LABs中的阳极保护膜的主要类别的固体电解质为NASICON型快速Li-离子导电陶瓷(Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃，称为LAGP；和Li_1+xTi_2-xAl_x(PO₄)₃，称为LTAP)。然而，NASICON型陶瓷的有用性受到限制，因为除了电解质-电极界面处的界面电阻之外，难以为大规模储能系统以适当的尺寸制备它们。当在组装或操作期间受到机械应力时，所述陶瓷的脆性也会引起开裂的风险，这在这种系统中构成主要的安全隐患。

有机聚合物电解质对于制备大尺寸和期望程度的柔韧性以改进电极与电解质之间的界面接触并且适应在循环期间轻微的体积变化是容易且便宜的。Armand(2008)通过研究由聚环氧乙烷(PEO)和弱配位Li盐组成的固体电解质的使用，开创了对锂电池中的聚合物系离子导电材料的研究。低密度聚合物电解质对于储能系统的重量能量密度是有利的，但是目前，尚没有发现具有高机械性以及化学稳定性与快速Li⁺导电性的适当组合的固体聚合物电解质。因此，已经采取的方法是将陶瓷和聚合物电解质组合以制备由基质和填料组成的杂化无机-有机膜，其中系统的总体性质除了取决于填料和基质之间的相互作用之外还取决于填料和基质二者的性质。

Abraham(2000)制作了一种陶瓷-聚合物膜，其包括Li⁺导电LTAP陶瓷和PVdF系凝胶电解质，当在Li/复合电解质/LiCoO₂电池单元中采用时，该膜显示出高离子电导率和结构柔韧性以及有前景的循环性。

Zhang(2002)报道了通过将LTAP引入至PEO系聚合物电解质中，在夹持在两个锂金属片之间的同时在循环下增强的导电性和界面稳定性。然而，尽管PEO系电解质似乎是锂电池的潜在电解质，但是其在水溶液中的差的稳定性使其不适合于水性或混合LABs。