[发明专利]氧化物型陶瓷复合纳米纤维固态电解质及其静电纺丝制备方法

说明书

本发明涉及一种储能体系器件材料的制备方法，特别涉及一种使用氧化物型陶瓷复合纳米纤维固态电解质及其静电纺丝制备方法，属于储能体系器件材料制备技术领域。本发明首先制备氧化物型陶瓷纳米颗粒；然后，将氧化物型陶瓷纳米颗粒分散于聚偏二氟乙烯溶液中配置纺丝前驱液，进行静电纺丝得到氧化物型陶瓷纳米纤维；最后，浇筑“聚合物‑导电锂盐”体系的聚合物电解质得到氧化物型陶瓷复合纳米纤维固态电解质。该材料可应用于柔性固态锂电池中，具备良好的电化学性能和机械柔性。

技术领域

本发明涉及一种储能体系器件材料的制备方法，特别涉及一种使用氧化物型陶瓷复合纳米纤维固态电解质及其静电纺丝制备方法，属于储能体系器件材料制备技术领域。

背景技术

可穿戴电子产品，电动汽车和智能电网的快速发展，需要有高能量密度、高安全性、良好机械柔性的储能器件与之匹配。锂离子电池经过几十年的发展，已经成为当今电子产品的主流储能器件。然而，传统的商业锂离子电池以石墨作为负极，其仅有372mAh g^-1的理论容量，存在着能量密度低的重大缺陷。此外，电池中使用的有机液态电解质易燃、易泄露，极易造成严重的安全事故。与此同时，刚性电极和集流器以及液态电解质也使得锂离子电池难以实现柔性化，无法满足柔性、可穿戴的市场需求。

针对传统锂离子电池存在的诸多问题，一种有效的解决方案是用固态电解质来取代有机液态电解质。固态电解质不易燃，空气下稳定，在安全性方面，相对于液态电解质有了大幅度提高。此外，固态电解质的使用使得具有最低化学电位 (-3.04V)和最高理论容量(3860mAh g^-1)的锂金属直接作为负极成为可能。固态电解质目前主要分为两类：有机聚合物固态电解质和无机陶瓷固态电解质。聚合物固态电解质制备简单且机械柔性优良，然而其室温下离子电导率低，电化学稳定窗口窄，难以满足电池的使用要求。陶瓷固态电解质也可细分为硫化物型陶瓷固态电解质和氧化物型陶瓷固态电解质，硫化物电解质室温下锂离子电导率高(10^-2S cm^-1)，然而其室温下及其不稳定，对大批量生产和商业化使用带来了诸多不便。氧化物固态电解质室温下离子电导率较高(10^-4S cm^-1)且在大气和水中稳定。不幸的是，氧化物陶瓷固态电解质刚性易碎，电极/电解质间存在着高界面电阻，无法满足柔性化的需求。

因此，结合有机和无机两种固态电解质的优势，制备复合固态电解质是一种理想选择。复合固态电解质通常是以无机氧化物陶瓷纳米粒分散于有机聚合物基质来制备。陶瓷纳米粒填充物提高固态电解质整体的离子电导率，而聚合物赋予其机械柔性。然而，复合固态电解质中陶瓷纳米粒填充物的含量仅仅在10-20wt％，这是因为无机陶瓷与有机聚合物的表面能存在巨大差异，在高浓度陶瓷含量下，陶瓷纳米粒极易发生团聚，严重影响复合固态电解质整体的离子电导率。此外，即使在低浓度陶瓷含量下，由于陶瓷纳米粒彼此分散，无法形成连续的离子传输路径，这也严重影响着复合固态电解质的导离子效果。

发明内容

本发明提供一种氧化物型陶瓷复合纳米纤维固态电解质，具有良好的机械柔性，能够弯曲、折叠，其作为全固态锂金属电池固态电解质材料时，具有良好的电化学性能，能够满足柔性电池的需求。

本发明还提供一种氧化物型陶瓷复合纳米纤维固态电解质的静电纺丝制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种氧化物型陶瓷复合纳米纤维，该氧化物型陶瓷复合纳米纤维是采用如下的制备方法制得：

a、将聚偏二氟乙烯溶解于N，N-二甲基甲酰胺溶剂中制备聚偏二氟乙烯溶液；

b、将氧化物型陶瓷纳米颗粒和聚环氧乙烷(PEO)加入聚偏二氟乙烯溶液中，氧化物型陶瓷纳米颗粒与聚偏二氟乙烯的重量比为0.25-0.75：1，PEO的添加量为聚偏二氟乙烯重量的2-6％；在40-60℃的温度下充分搅拌得到静电纺丝前驱液；