[发明专利]一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池

说明书

本发明涉及一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池，属于离子电池制备技术领域。聚合固体电解质的制备方法为将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，得到电解质前驱体；将该电解质前驱体进行引发，即得到聚合固体电解质。将电解质前驱体滴在正极上，然后在所述电解质前驱体上覆盖负极，再进行引发，电解质前驱体固化后，即得到原位组装全固态电池。该固体电解质的室温电导率达到1.6×10^‑4S cm^‑1，且电化学窗口大于6V。基于该固体电解质的全固态电池，在0.5C的充放电倍率下，放电容量密度为145mAh/g，0.1C时放电容量为176mAh/g，0.5C下，100次循环后容量保持率为88％。

技术领域

本发明属于离子电池制备技术领域，更具体地，涉及一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的储能装置广泛应用移动电子设备和电动汽车等领域。目前，传统的商业锂离子电池主要采用液体有机电解质，因此易造成燃烧，泄露等严重的安全问题。同时液体电解质的稳定性差，电化学窗口窄，导致其能量密度较低。与液态电解质相比，固体电解质具有更高的安全性和热稳定性。同时固体电解质对金属锂稳定，能很好地抑制锂枝晶的生长。此外，固体电解质具有更宽的电化学窗口，能很好地应用于高电压的锂金属电池，从而进一步提高锂离子电池的能量密度。

目前固体电解质主要分为两种，即无机陶瓷质电解质和有机聚合物电解质。一般来说，陶瓷电解质具有更好的锂离子电导率和迁移数，并且电化学稳定性更好。然而，陶瓷的脆性增加了其加工难度。更重要的是，电解质和电极之间巨大的界面电阻几乎是固态电池难以逾越的鸿沟。聚合物电解质的界面电阻较小，且易于加工成型，适合大规模生产。但是聚合物电解质的电化学稳定性较差，而且离子电导率和迁移数均较低。因此，有机-无机复合电解质似乎成了最佳的选择。复合电解质以聚合物为基质，具有很好的柔性。而通过添加无机电解质颗粒，可以有效地提高其离子电导率和电化学稳定性。

目前，研究最多的是聚环氧乙烯(PEO)基固体复合电解质。然而PEO的氧化电位小于4V，导致其电化学窗口较窄，难以适用于高电压正极材料。具有交联结构的聚合物电解质有很好的化学稳定性，但是其合成手段繁复，或是引入了有毒的有机溶剂，或是对外环境要求较高。尽管如此，由于固体电解质或电极材料表面存在缺陷，界面电阻的问题仍然亟待解决。

发明内容

本发明解决了现有技术中聚合物固体电解质电导率低和全固态电池界面电阻大的问题，本发明提出了一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池。通过将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，得到电解质前驱体；将该电解质前驱体进行加热，或者进行紫外光辐射，使所述引发剂引发所述聚合物单体和交联剂发生交联聚合反应形成聚合物，即得到聚合固体电解质。本发明所制备的聚合物复合固体电解质离子电导率具有较大的提升，并且利用原位聚合技术所组装的全固态电池的界面电阻也大为降低，从而表现出更加优异的电池性能。

按照本发明的第一方面，提供了一种聚合固体电解质的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，完全溶解后，得到电解质前驱体；

(2)将步骤(1)得到的电解质前驱体进行加热，或者进行紫外光辐射，使所述引发剂引发所述聚合物单体和交联剂发生交联聚合反应形成聚合物，即得到聚合固体电解质。

优选地，所述步骤(1)中电解质盐和引发剂完全溶解后，还包括加入无机陶瓷填料的步骤，所述无机陶瓷填料用于提高所述电解质盐的导电性和稳定性。

优选地，所述加热的温度为60℃-100℃，加热的时间为60s-120s；所述紫外光的功率为50mW/cm²-2000mW/cm²，辐射的时间为60s-120s；