[发明专利]聚合物固体电解质、纳米复合隔膜及其制备方法和锂金属电池

说明书

本发明涉及一种聚合物固体电解质，包括成膜剂、锂离子导体、增强剂、交联剂和溶剂；所述成膜剂为PU、Nafion或PVDF中的任意两种；所述锂离子导体为SiO₂或ZnO；所述增强剂为Al₂O₃或LiCl；所述交联剂为甘油；所述溶剂为NMP、DMF或CHCl₃中的任意一种。一种纳米复合隔膜，包括多孔基体以及在多孔基体的内部和表面填充或涂覆聚合物固体电解质并干燥。一种纳米复合隔膜的制备方法，在多孔基体的内部和表面填充或涂覆聚合物固体电解质并干燥，得到纳米复合隔膜。一种锂金属电池，包括纳米复合隔膜。能有效抑制产生的锂枝晶刺穿隔膜导致电池发生短路热失控甚至爆炸。

技术领域

本发明涉及锂金属电池技术领域，具体涉及一种聚合物固体电解质、纳米复合隔膜及其制备方法和锂金属电池。

背景技术

随着科技的进步，经济的不断发展，人们的生活得到了极大的改善，但与此同时，能源和环境问题正在日益加剧，节能减排和开发新能源及高效的能量转化器件是当今社会的重要发展趋势。近二十年来，以石墨作为负极的锂离子电池等二次电池得到了巨大的发展，广泛的应用于便携式电子产品和电动汽车等领域。但以石墨作为负极的锂离子电池能量密度已逐渐接近理论值，已不能满足当前储能市场的逐渐扩大和电动车续航能力的要求。

金属锂具有低的密度，低的电位，好的电子电导及高的电化学当量，理论容量可以达到3800mAh/g，是现在石墨负极的10倍，因此研究者们纷纷将注意力转向以金属锂作为负极的锂硫电池、锂空气电池等锂金属电池，然而，以金属锂作为负极仍然面临着许多巨大的挑战，如由于少量氧气、二氧化碳和水等透过隔膜对负极金属锂造成腐蚀，缩短锂的循环寿命；充/放电过程中由于局部电流密度过大，使锂离子的沉积/溶解不均匀，产生锂枝晶刺穿隔膜导致电池短路发生热失控甚至爆炸；锂沉积/溶解过程中带来的体积膨胀产生死锂，导致锂逐渐粉化增大电池内阻进而缩短电池循环寿命等。研究者们从金属锂负极自身出发，采用合金化的负极(如Li-Si、Li-Al，Li-In等)使其循环性能得到了一定的改善，但采用合金的方式会降低其能量密度，同时其抵抗体积膨胀的能力也显著下降，还有一些研究者采用添加剂的方式，采用添加剂可以强化表面的SEI膜，但其强度和柔韧性不够，不能有效阻止枝晶刺穿隔膜导致电池短路，也不能阻止放电中间产物(超氧和过氧自由基)对其攻击导致的锂腐蚀。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种聚合物固体电解质、纳米复合隔膜及其制备方法和锂金属电池，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种聚合物固体电解质，包括成膜剂、锂离子导体、增强剂、交联剂和溶剂；成膜剂为PU、Nafion或PVDF中的任意两种；锂离子导体为SiO₂或ZnO；增强剂为Al₂O₃或LiCl；交联剂为甘油；溶剂为NMP、DMF或CHCl₃中的任意一种。

本发明的有益效果是：在聚合物固体电解质中加入锂离子导体，可以利用其保证锂离子在隔膜中的有效传输；在聚合物固体电解质中加入成膜剂，成膜剂形成的膜构成疏水性固体电解质层的主要载体，可负载上锂离子导体，并且，其具有一定的弹性和柔韧性，可以抵抗产生的锂枝晶刺穿隔膜发生短路热失控甚至爆炸等危险事故。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，锂离子导体为SiO₂，其粒径为15±5nm。

进一步，增强剂为Al₂O₃。

进一步，成膜剂为PU和PVDF。

进一步，溶剂为NMP。

一种纳米复合隔膜，包括多孔基体以及在多孔基体的内部和表面填充或涂覆聚合物固体电解质并干燥。