[发明专利]具有三维贯穿结构的复合固态电解质和全固态锂离子电池

说明书

本发明涉及一种具有三维贯穿结构的复合固态电解质和全固态锂离子电池。本发明提出的复合固态电解质具有利用聚合物电解质形成的三维贯穿结构骨架，该三维贯穿结构骨架的两端一体形成聚合物电解质功能层，无机电解质材料填充于所述三维贯穿结构骨架中，其中，所述聚合物电解质组成包括聚合物基质和锂盐，所述无机电解质材料组成包括无机固态电解质和添加助剂，所述三维贯穿结构骨架及聚合物电解质功能层采用3D打印技术制备。本发明的具有三维贯穿结构的复合固态电解质，具有较高锂离子电导率和机械强度的复合固态电解质。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种具有三维贯穿结构的复合 固态电解质及其制备方法和含有该复合固态电解质的全固态电池及其制备方 法。

背景技术

全固态电池就是用不可燃的固体电解质取代传统锂离子电池中的易燃的 电解液，从根本上避免了安全隐患。其次，固体电解质良好的机械性能可以有 效的抑制锂枝晶负极中的生长，大大降低了枝晶刺穿导致的短路风险，使得金 属锂作为锂离子电池负极材料成为可能，从而有效提高锂离子电池的能量密度。 安全性能高、循环寿命长等诸多优点，使全固态锂离子电池已逐渐成为新型化 学电源领域的研究开发的热点。

可以说，固体电解质的综合性能提升，成为全固态锂离子电池发展上的关 键环节。固体电解质主要分为无机固体电解质和聚合物固体电解质。传统的无 机固体电解质虽然公认离子电导率较高，具有比较好的机械强度，但主要是采 用固相合成法或溶液法来制备，期间需要经过多步烧结，即使控制严苛的烧结 工艺，烧结出来的电解质片仍具有较大的孔隙，即，致密度难以达到要求，孔 隙率较大会导致极大的界面阻抗，影响锂离子的传输。聚合物固体电解质虽然 可塑性强，简单易加工，与电极界面接触润湿性较好，可通过降低膜厚极大的 提升电池的能量密度，但是本身离子电导率较低且机械强度较差的缺陷会使得 其容易破裂并造成电池短路。

有机/无机复合固态电解质集中了两者的优势，兼顾了有机材料和无机材 料的优点，表现出良好的柔韧性、界面兼容性等优点，能够比较好地提升电解 质的综合性能，成为固态电池技术发展的关注点之一，相关的研究和报道也有 比较多的公开。然而，传统意义上的有机/无机复合固态电解质是将无机电解 质进行机械混合分散在聚合物电解质体系中，或者是将二者共同混合分散于有 机溶剂中，进一步成膜而得到复合固态电解质。这样的复合方式使得无机颗粒 很容易团聚，造成聚合物相分布不均匀，这会导致全固态电池整体的相容性变 差，复合固态电解质与电极间形成较大的界面阻抗。再者，机械的混合造成在 电解质的内部锂离子传输错综复杂，方向各异；在负极面会导致金属锂的不均 匀沉积，导致锂枝晶刺穿造成的短路隐患；正极侧也不利于高电压正极的使用。 因此，对于混合和成膜工艺要求更严苛，也提高了有机/无机复合固态电解质 的制造和使用要求。

因此，提供一种具有快速导锂通道及良好界面相容性的新型有机/无机复 合固态电解质，也成为全固态锂电池行业发展一直被关注和追求的课题之一。

发明内容

本发明提供了一种具有三维贯穿结构的复合固态电解质，重新设计了有机 电解质与无机电解质的复合方式，通过骨架结构及锂离子的传输通道的设计， 解决了由于锂枝晶的刺穿而导致的短路问题，同时提高了复合固态电解质的锂 离子导电率和机械强度。

本发明还提供了上述具有三维贯穿结构的复合固态电解质的制备方法，引 入3D打印技术，以更加简单的工艺得到综合性能优异的固态复合固态电解质。

本发明还提供了一种全固态锂离子电池，使用上述具有三维贯穿结构的复 合固态电解质，能够进一步提升电池的循环性能。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是：