[发明专利]一种聚合物单离子导体及其制备方法及一种复合正极和全固态锂硫电池

说明书

本发明提供了一种聚合物单离子导体，由氢氧化锂和具有式(I)结构的含羧基的聚合物反应生成。该种聚合物主链结构为‑CH₂‑CH‑，主链上带有羧基锂侧基，在聚合物链段运动作用下，羧基锂随主链运动，两个羧基锂基团间发生锂离子的解离‑结合，从而传导锂离子。在加入含BF₃的锂离子解离剂后，‑COO^‑Li⁺形成‑COOF₃B^‑Li⁺，锂离子的解离度可进一步提高，使锂离子的解离‑结合速率提高，进一步提升其锂离子电导率。

技术领域

本发明属于固态锂硫电池技术领域，具体涉及一种聚合物单离子导体及其制备方法及一种复合正极和全固态锂硫电池。

背景技术

锂硫电池的理论比容量为1675mAh/g，理论比能量为2600Wh/Kg，远高于传统锂离子电池。同时，硫的储量丰富，价格低廉，且污染和毒性都较低，因此锂硫电池体系具有良好的发展潜力。然而，其电化学反应中产生的多硫化锂中间产物能够溶解于有机电解液并引发穿梭效应，使活性物质损失，负极金属锂腐蚀，循环容量快速下降和库伦效率降低等问题。目前已有的相关研究大多将注意力集中在正极化学/物理吸附结构设计，正极纳米碳材料设计，隔膜阻挡，锂负极保护和电解液添加剂等方面，使锂硫电池的循环寿命和容量都得到了极大地提升。然而，由于这些锂硫电池的电解质是有机电解液，因此穿梭效应虽然能够以各种方法抑制，但无法完全消除；更重要地，有机电解液在循环过程中会发生分解，产生胀气现象，同时其易燃性也为锂硫电池的安全应用带来了隐患。

为解决上述矛盾，基于固态电解质的锂硫电池研究近年方兴未艾。固态电解质主要分为无机固态电解质和聚合物固态电解质两大类，以及聚合物-无机复合电解质及聚合物凝胶电解质等小类。由于引发穿梭效应的多硫化锂完全不溶与无机固态电解质，且难溶于聚合物固态电解质，因此固态锂硫电池能够基本避免穿梭效应的产生。另外一方面，由于固态电解质不燃，且在电化学环境下分解后不产生气体物质，从而大大降低了固态锂硫电池的安全风险。因此固态锂硫电池能够很好地避免传统锂硫电池在穿梭效应上的弱点，并极大地提高其安全性和实用性。

固态锂硫电池结构主要分为正极-固态电解质-负极等三部分，固态电解质一方面在正负极间传导锂离子，另一方面隔开正负极防止短路。固态电解质可以选取聚合物固态电解质膜，无机固态电解质层或聚合物-无机复合电解质层等。负极为金属锂或金属锂合金。正极为复合硫正极。在传统锂硫电池中，正极的电子通路为复合碳纳米材料，其中的孔道结构承担了锂离子通路的作用，溶解有锂盐的有机电解液在浸润了正极的孔道结构后，便能够在电化学反应中向反应供给锂离子。因此，在传统锂硫电池中，电化学反应发生在电解液/碳材料/活性硫三者相接触的界面上。而对于固态锂硫电池，由于固态电解质无法对孔道结构进行浸润，因此在正极结构和设计中需要构建以固态锂离子导体为主体的锂离子传导通路，同时使得固态电解质，碳材料和活性硫三者均匀分散，紧密结合，使得活性硫的电化学反应中能够及时得到电子和锂离子供给。