[发明专利]复合固态电解质及其制备方法、固态锂电池及其制备方法

说明书

本发明涉及固态锂电池技术领域，具体提供一种复合固态电解质及其制备方法、固态锂电池及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：将聚己内酯、聚己内酯衍生物中的至少一种聚合物与锂盐溶于有机溶剂中，得到第一溶液；向所述第一溶液中加入石榴石氧化物，混匀，获得第二溶液；对所述第二溶液进行浇铸、干燥处理，得到复合固态电解质。本发明的制备方法具有工艺简单、能耗少、无污染、价格低廉等特点；更重要的是得到的复合电解质具有离子电导率高、电化学窗口大于4.5V、离子迁移数高、界面电阻小、机械性能好等特点。

技术领域

本发明属于固态锂电池技术领域，具体涉及一种复合固态电解质及其制备方法、固态锂电池及其制备方法。

背景技术

固态锂电池具有能量密度高、安全性好、工作电压高、且不会因为高温而出现液态电解液的安全性问题等优点，因而在众多领域中均有很大的应用前景。在固态锂电池中关键的部件是固态电解质，一般要求其在稳定的工作电压和工作温度下具有较高的离子电导率。

常见的固态电解质主要分为两类：无机陶瓷固态电解质和有机聚合物固态电解质。其中，无机陶瓷电解质包括硫化物、氧化物、氢化物、硼化物和磷化物，其具有如下的优点：(1)安全性好，不燃烧、结构稳定、无腐蚀性、也不会泄漏；(2)无体积膨胀，不会产气；(3)工作温度宽，在工作温度范围内具有良好的离子传导性能及电化学稳定性，可以在极端环境下工作，在某些领域具有重大意义；(4)电化学稳定窗口宽，分解电压高，可与高电压电极匹配，有利于提高电池的能量密度；(5)致密度高、机械强度大，可以有效抑制锂枝晶引起的短路问题，因此可以直接使用锂金属作为负极，可显著提高电池的能量密度；(6)循环寿命比较长；(7)制备工艺简单、价格低廉。但是，无机陶瓷电解质存在以下缺点：(1)刚性易碎、柔性差，固态锂电池的制备难度高；(2)厚度大，不易得到很薄的陶瓷片；(3)晶界阻抗和界面阻抗比较大。

有机聚合物固态电解质是将聚合物与锂盐复合得到，聚合物一般具有较低的玻璃化转变温度，在其玻璃化转变温度以上具有较高的锂离子电导率。常见的聚合物包括聚氧乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)。

聚合物固态锂离子电池具有以下优点：(1)没有使用液态电解液，避免了漏液的问题；(2)既可以作为电解质，又能作为隔膜，可以降低电池整体的质量；(3)分解温度高，不易燃烧，安全性好；(4)具有一定的机械强度，可以在一定程度上抑制锂枝晶的形成；(5)具有良好的柔性，可以组装柔性电池，在受到一定外力和形变下，仍能正常工作；(6)制备工艺简单，易于组装；(7)电池形状、尺寸、厚度均可控，可以制备任意形状、尺寸、厚度的电池。然而，聚合物固态电解质存在以下问题：(1)聚合物机械强度仍需要进一步提高；(2)离子电导率偏低，需要进一步提高离子电导率。(3)聚合物室温结晶度偏高。

无机陶瓷电解质和有机聚合物电解质各有优缺点，但均难以满足人们对固态电解质的所有要求。将无机颗粒均匀地分散到聚合物得到的复合固态电解质可以结合二者的优势，因此备受青睐。复合固态电解质中无机颗粒既可以降低聚合物地结晶性，又能够提高复合电解质的机械强度。另外，无机颗粒高浓度的锂离子，可以渗流到聚合物电解质中，提高复合电解质的锂离子浓度，从而提高其离子电导率。