[发明专利]固体复合电解质

说明书

本发明涉及一种固体复合电解质，其包含：i)至少一种固体无机颗粒、ii)至少一种离子液体电解质，以及iii)至少一种离子非导电聚合物，其中该i)至少一种固体无机颗粒是离子导电的并且与该ii)至少一种离子液体电解质共混。本发明还涉及一种用于制造该固体复合电解质的方法、一种包含该固体复合电解质的固态电池、以及所述固体复合电解质在固态电池中用于改善离子导电性和机械特性的用途。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月21日提交的欧洲申请号18215742.0的优先权，将该申请的全部内容通过援引方式并入本申请。如果通过援引并入本文的任何专利、专利申请和公开物的披露内容与本申请的说明相冲突到了可能导致术语不清楚的程度，则本说明应优先。

技术领域

本发明涉及一种固体复合电解质，其包含i)至少一种固体无机颗粒、ii)至少一种离子液体电解质，以及iii)至少一种离子非导电聚合物，其中该i)至少一种固体无机颗粒是离子导电的并且与该ii)至少一种离子液体电解质共混。

背景技术

二十多年来，Li离子电池由于其重量轻、能量密度合理以及良好的循环寿命而在可充电储能装置市场中保持着主导地位。然而，就高功率应用如电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)和电网储能所需的能量密度而言，目前的Li离子电池仍然受制于安全性差和能量密度相对较低。这些缺点的根源是液体电解质的存在。

在常规的Li离子电池中，使用基于有机碳酸酯的液体电解质，使得Li离子电池易于经受泄漏并产生易燃的挥发性气态物质。

因此，固态电池(SSB)被认为是下一代储能装置，因为它们比具有液体电解质系统的常规Li离子电池提供更高的能量密度并且更安全。在SSB中，高度易燃的液体电解质被固体电解质替代，使得基本上消除了所有着火和/或爆炸的风险。

固体电解质有三种类型：无机电解质、聚合物电解质和复合电解质。无机电解质展现出高离子导电性，但是机械特性差，因此它很脆。陶瓷无机电解质(如石榴石型Li离子导电材料)受制于晶界导电性差。这些材料依靠烧结过程来熔化晶粒和构建导电路径。只有热压才能成功地减少烧结的持续时间，但是它需要专门且昂贵的设备，这对于商业规模的大批量生产是一个障碍。此外，尚未证实通过热压的薄膜可成形性。

干燥的聚合物电解质显示出良好的机械特性和可加工性，但受制于离子导电性低。现有技术的聚合物导体(例如在具有高分子量的聚(环氧乙烷)上，Li盐是可溶解的)受制于两个主要缺点。第一，由于聚合物的结晶性，只有在超过熔融温度的温度下才能获得足够的导电性，因此其适用性仅限于高温应用。第二，这种聚合物电解质需要通过掺入盐来增塑，导致非常差的机械特性。

由分散在聚合物基质中的固体无机离子(Li⁺)导电颗粒(SIC颗粒)构成的复合电解质提供了将高离子导电性与良好的机械特性结合的可能性。尽管复合电解质为解决无机电解质和聚合物电解质的缺点提供了可能性，但已经发现操纵/设计聚合物和无机表面化学远比预期的复杂。众所周知，固体(复合)电解质的主要困难是晶粒与晶粒间的接触电阻使得固体电解质的整体离子导电性低。使用石榴石型陶瓷电解质颗粒的复合电解质尤其如此。

在大多数目前开发的复合电解质中，向聚合物电解质中添加SIC颗粒可以提高固体复合电解质的导电性。然而，如Chen,L.等人在Nano Energy[纳米能源],2018.46:第176-184页(“PEO garnet composite electrolytes for solid state lithium batteries[用于固态锂电池的PEO石榴石复合电解质]”)中所述，导电性的提高是由于聚合物相的离子导电性的提高，而不是由于利用SIC颗粒的导电性。典型地，仅对于具有低SIC颗粒负载量的复合材料观察到提高的离子导电性。一旦SIC负载量开始增加，总导电性就会降低，这是有问题的晶粒与晶粒间电阻的明显证据。

为了克服复合电解质的不良性能，已经进行了若干尝试。