[发明专利]一种无机-有机纳米复合固态电解质隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种无机‑有机纳米复合固态电解质隔膜及其制备方法和应用。该复合固态电解质是结合无机陶瓷固态电解质和有机聚合物电解质各自优势而形成的新型无机‑有机纳米复合材料，由负极保护层、支撑层、正极界面层三部分构成，其中支撑层起支撑作用，负极保护层主要成分是具有较好机械性能的无机固态电解质，能有效抑制锂枝晶生长，正极界面层主要由具有良好柔韧性的有机聚合物电解质构成，保证与活性物质良好接触并提供连续的离子传输通道。本发明通过在支撑层双面进行涂布处理制备了具有良好界面兼容性的复合固态电解质，工艺简单高效。该复合固态电解质可有效抑制枝晶、降低界面电阻，使固态锂金属电池具有较高的能量密度和较长的循环寿命。

技术领域

本发明涉及一种无机-有机纳米复合固态电解质隔膜及其制备方法和应用，具体涉及一种对正负极同时具有良好界面兼容性的无机-有机纳米复合固态电解质隔膜及其制备方法和在固态锂金属电池中的应用。属于电解质膜及电池应用技术领域。

背景技术

新能源电动汽车和便携式电子设备的快速发展，极大地推动了社会对高安全和高比能的储能体系的需求。在众多的负极材料中，金属锂由于密度低（0.59 g cm^-3）、理论比容量极高（3860 mAh g⁻¹）和电极电势低（–3.040 V vs.SHE）的特性，成为负极材料的最佳选择。然而，锂化学性质活泼，易与电解液反应在锂负极表面生成固态电解质界面膜（SEI）。由于SEI的组成和结构上的不均匀性，锂在沉积过程中容易生长枝晶，从而造成电解液损耗、电极粉化以及体积膨胀等问题，导致其不能应用于商业化电池。

以固态电解质替代液态电解质是一种有效策略获得高安全性能的锂金属电池。固态电解质主要分为两大类：固态聚合物电解质（SPEs）和无机陶瓷电解质（ICEs）。固态聚合物电解质易加工且有柔性，与正极接触良好，界面电阻低，但是在其工作温度时机械强度有限，不能有效抑制锂金属负极枝晶生长。无机陶瓷电解质由于其机械强度可以抑制锂金属负极枝晶生长，但是与固体正极接触不良，界面电阻较高。因此，单一的固态聚合物电解质或者无机陶瓷电解质不能同时满足锂金属负极和正极的需求，构建复合型的电解质才可以同时满足锂金属固态电池中对于负极和正极的要求。

固态电解质作为锂金属固态电池的组成部分，对于固态电池性能起到关键作用。然而目前已发展的固态电解质无法同时满足锂金属负极需要抑制锂枝晶所要求的“硬”和正极需要良好界面接触所需要的“软”。本发明的目的是为了解决固态电解质针对正负极的矛盾需求所面临的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种对正负极同时具有良好界面兼容性的无机-有机纳米复合固态电解质隔膜及其制备方法，该方法工艺简单、操作高效，易于工业化生产需求。本发明还提供了该复合固态电解质隔膜所组装的固态金属锂电池的应用。

本发明整合有机固态电解质和无机陶瓷电解质各自优势，通过合成无机-有机纳米复合材料并采用功能化的多层设计方案，以聚合物的无纺布作为支撑体，一面涂覆由固态聚合物电解质和锂盐构成的界面层，提供与复合正极良好的界面接触降低界面电阻促进锂离子传输；一面涂覆由固态聚合物电解质和无机陶瓷构成的密实保护层，保证与金属锂接触和抑制锂枝晶生长。本发明制备的多层功能型复合电解质同时具有对锂金属电池中正极和负极的良好兼容性，使由其组装的固态锂金属电池具有高的库伦效率和循环性能。

本发明提供了一种无机-有机纳米复合固态电解质隔膜，包括支撑层、保护层和界面层。支撑层选用聚合物无纺布，在其一面涂覆以含固态聚合物电解质和锂盐构成的界面层，在其另一面涂覆以固态聚合物电解质和无机陶瓷电解质保护层。上述界面层中锂盐和固态聚合物电解质的质量比为1:2-1:4，界面层厚度为50-150 μm；所述保护层中无机陶瓷电解质颗粒的平均粒径为0.01-5.0 μm，保护层厚度为20-50 μm，无机陶瓷电解质颗粒在保护层中的含量占85-90wt%。