[发明专利]一种固态电解质膜及其制备方法和在固态锂硫电池中的应用

说明书

本发明属于电化学储能电池技术领域，具体涉及一种由第一复合膜和第二复合摸构成的固态电解质膜、制备方法及其在固态锂硫电池中的应用。所述第一复合膜朝向硫正极一侧，第二复合膜朝向锂负极一侧；第一复合膜是由介孔炭材料、纳米金属氧化物、固态聚合物、锂盐构成，第二复合膜是由无机固态化合物、固态聚合物、锂盐、骨架材料构成，该固态电解质膜可以与硫正极和锂负极形成稳定、兼容的界面，具备良好的离子导电性，可以实现常温充放电，由本发明所提供的固态电解质膜制备工艺简单，易于工业化生产，可广泛应用于固态锂硫电池生产。

技术领域

本发明属于电化学储能电池技术领域，具体涉及一种双层固态电解质膜、制备方法及其在固态锂硫电池中的应用。

背景技术

新能源作为国家战略性新兴产业，近年来得到快速发展。作为新能源产业的重要支撑和辅助技术，电化学储能器件成为全球研究与开发热点，新型电化学储能器件正朝着高比能量、高安全、长循环寿命、低成本方向发展。锂硫电池具有优异的理论比容量(1672mAh/g)，其理论比能量密度高达2600Wh/kg，并且主要活性物质硫元素储量丰富、价格低廉、容易制备获取，因此被认为是一种具有理想应用前景的电池体系。

与传统锂离子电池的嵌脱锂反应不同，锂硫电池采用硫或含硫化合物为正极，锂为负极，电解液采用液态有机化合物，通过硫-硫键的断裂/生成来实现电能与化学能的相互转换。放电时，锂离子从负极脱出，向正极迁移，正极活性物质硫-硫键断裂，期间伴随着大量中间产物的氧化还原过程，会生成多种硫化锂中间产物，如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄、Li₂S，最终形成Li₂S；充电时，Li₂S电解，释放出来的锂离子重新回到负极，沉积为金属锂或嵌入到负极材料中。

锂硫电池发展至今仍面临的众多挑战，在液态电解液体系中，活性物质利用率低、容量衰减迅速、循环寿命短，自放电高，安全性能有待提高，限制了其进一步发展和应用。究其原因，主要是因为单质硫做正极，为绝电子缘体，导电率低，且和最终产物Li₂S₂/Li₂S密度差异大，存在明显的体积效应，而中间产物多硫化物可溶于液态有机电解液，充电过程会迁移至负极，和不稳定的锂金属表面发生自放电反应，生成物回到正极被氧化，如此反复，形成穿梭效应，导致活性物质利用率低，造成电池容量损失和循环性能下降。除此之外，金属锂做负极一直存在的界面不稳定和枝晶问题，易引发热失控及短路爆炸等问题，也制约了锂硫电池的推广和应用。现有的有机聚合物固态电解质，如聚环氧乙烷等，室温离子电导率低，使用时需要在高温60℃运行，电池倍率性能差，不能从根本上抑制穿梭效应和锂枝晶问题，同时也存在尺寸热稳定性差，在高温长时间工作会造成热收缩，正负极存在短路等安全风险。另外，现有的无机固态电解质尽管离子电导率高，但其存在加工性能差、不易成膜、电解质与电极之间的固固界面存在离子传输困难等问题，也不易直接应用于电池器件中。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种固态电解质膜、制备方法及其在固态锂硫电池中的应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种固态电解质膜，由第一复合膜和第二复合膜以叠层形式构成，所述第一复合膜朝向硫正极一侧，第二复合膜朝向锂负极一侧；第一复合膜是由介孔炭材料、纳米金属氧化物、固态聚合物、锂盐构成，第二复合膜是由无机固态化合物、固态聚合物、锂盐、骨架材料构成，其中所述的第一复合膜中介孔炭材料为介孔碳纤维、介孔石墨烯、介孔活性炭、介孔炭纳米管、介孔石墨、介孔膨胀石墨、介孔碳微球中的一种或多种，所述的纳米金属氧化物为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、纳米氧化锌、纳米氧化锆、纳米氧化锡中的一种或多种。

介孔炭材料的比表面积为100～1500m²/g，孔径分布范围为2nm～50nm。