[发明专利]一种无锂盐改性石墨烯复合固态电解质材料、电解质膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种无锂盐改性石墨烯复合固态电解质材料、电解质膜及其制备方法，复合固态电解质材料在锂离子导体无机物材料以及聚合物基体材料的基础上添加了改性石墨烯材料按改进的制备方法制备而成，所述改性石墨烯复合固态电解质材料不添加锂盐；与现有技术相比，具有以下优点：制备工艺简单，用料成本低廉，有效抑制锂枝晶的形成与生长，相比添加了锂盐以及未添加改性石墨烯材料的复合固态电解质材料来说，具有更高的室温离子电导率、电化学工作窗口和机械性能，能够与高电压体系的正极材料稳定匹配，进而能够获得能量密度更高的固态电池；此外与全固态锂离子电池的正负极接触界面阻抗较小，对金属锂负极稳定性好。

技术领域

本发明涉及固态电解质领域，尤其涉及一种无锂盐改性石墨烯复合固态电解质材料、电解质膜及其制备方法。

背景技术

近年来，随着便携式电子设备、电动汽车、电网储能技术的快速发展，人们对高能量密度、高安全性的电池和储能系统的需求越来越迫切。

电解质材料是锂二次电池体系内锂离子传递的载体，是体系能否正常运行的关键组成部分，目前市场上广泛使用的锂二次电池主要采用有机液态电解质，具有易燃易爆、电化学窗口较低、工作温度范围小等问题，不仅给锂二次电池的使用带来了安全隐患，同时也无法满足未来对锂二次电池的高比能量，在较宽的工作温度范围内稳定储能的要求。

具有高离子电导性的复合固态电解质可解决上述问题，与有机液态电解质相比，复合固态电解质由于聚合物基体的存在可有效缓解锂枝晶的生长，具有更好的安全性和机械加工性。

目前已有的复合固态电解质大部分为加了锂盐的固态电解质，锂盐与聚合物之间的交联或耦合反应容易使聚合物非晶化，从而降低聚合物的熔点，进而影响了电解质的工作温度范围。

中国专利CN107346834A无锂盐添加复合固态电解质材料、电解质膜及其制备方法中公开了一种不添加锂盐的复合固态电解质材料，包括聚合物基体材料和快离子导体粉体材料，虽然解决了一部分上述问题，但是存在固态电解质离子室温电导率、电化学工作窗口偏小、与全固态锂离子电池的正负极接触界面阻抗偏大，对金属锂负极稳定性差的问题。

因此，一种能解决上述问题的改进的无锂盐添加复合固态电解质材料值得研究。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种具有较高的室温离子电导率和电化学工作窗口、对金属锂负极稳定性好的无锂盐改性石墨烯复合固态电解质材料、电解质膜及其制备方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种无锂盐改性石墨烯复合固态电解质材料，包括锂离子导体无机物材料以及聚合物基体材料，此外添加了改性石墨烯材料，所述锂离子导体无机物材料为5-50wt％；所述改性石墨烯材料为2-30wt％，余量为聚合物基体材料，所述改性石墨烯复合固态电解质材料不添加锂盐。

添加的改性石墨烯材料能够与聚合物基体材料形成更加紧密而稳定的结构，从而提高了复合固态电解质材料的机械性能和电化学工作窗口。同时，改性石墨烯片层上特殊的官能团，一方面能够促进锂离子的传导提高了复合固态电解质材料的离子电导率，另一方面改善了电极与电解质之间的界面问题。

所述锂离子导体无机物材料为Li_7-xLa₃Zr_2-xM_xO₁₂、Li₄Ti₅O₁₂、LiSiO、Li₃AlO₃中的一种或多种混合，其中x＝0-1，M＝Al、Ta、Nb、W、Ga；优选的锂离子导体无机物材料具有较高的锂离子传导速率和机械强度。

所述锂离子导体无机物材料的颗粒尺寸为5nm-10μm；优选的锂离子导体无机物材料尺寸有利于减小锂离子传导的距离，同时可以降低复合固态电解质薄膜的厚度。