[发明专利]固体电解质、固体电解质的制备方法和全固态电池

说明书

本发明涉及一种固体电解质，固体电解质是具有三维多孔石榴石微结构(PSSE)的固体电解质，三维多孔石榴石微结构的固体电解质内部有连续的凝胶聚合物电解质(GPE)。本发明还涉及制备上述固体电解质的方法，包括如下步骤：利用辅助模板法合成三维多孔石榴石(PSSE)，PMMA纳米球作为模板来造孔；将甘醇醚类、含有给电子性氧原子的聚合物、锂盐溶解在有机溶剂中，再将混合溶剂注入PSSE框架，然后干燥处理。本发明还涉及一种全固态电池，该全固态电池的固体电解质层包含上述固体电解质。

技术领域

本发明涉及固态电池领域，特别是涉及一种固体电解质、该固体电解质的制备方法和使用该固体电解质的全固态电池。

背景技术

锂离子电池由于具有高的理论能量密度，是一种很有前途的二次电池。然而，由于锂枝晶的形成和有机电解液的使用，导致了锂离子电池的安全性和循环稳定性差。现在市售的锂离子电池由于使用易燃易爆的有机碳酸酯类电解液作为有机电解质溶液，这导致电解质泄漏和由此引发的电池爆炸、火灾时有发生。要提高锂电池的安全性，最有效的方法就是不使用易燃易爆的有机碳酸酯类电解液，采用不燃的全固态电解质，既实现了电池安全装置的简化，又使得制造成本大幅降低。因此从安全性以及能量密度上考虑，使用由全固态材料组成的固态锂离子电池比使用有机电解液的锂离子电池更具有优势。

氧化物固态电解质具有良好的离子导电性，现有技术中公开了一种石榴石型氧化物固态电解质可以提高电池的输出功率。然而，由于石榴石型氧化物固态电解质粒子较硬，因而粒子与粒子之间只能发生点接触，存在晶粒之间电阻较大的问题。此外，对全固态电池而言，其中固态电解质与电极之间的界面接触状态极大影响电池的性能，若固态电解质与电极间的接触状态较差，不仅增大了固态电解质与电极之间的接触电阻最终导致电池内阻增大，而且锂离子无法以理想的状态在固态电解质与电极之间穿梭迁移，降低电池的容量。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种固体电解质，该固体电解质具有高离子电导率，并且能抑制锂枝晶。

一方面，本发明提供一种固体电解质，该固体电解质是具有三维多孔石榴石微结构(porous garnet microstructure,PSSE)的固体电解质，并且三维多孔石榴石微结构的固体电解质内部有凝胶聚合物电解质(GPE)。

本发明所涉及的三维多孔石榴石的通式为：Li_x+5La₃Zr_2-yA_yO₁₂，其中，A为Al、Ga、Sc、Yb、Dy、Ta、Ti、V、Y、Nb、Hf、Si、Ge、Sn中的至少一种元素，1.4≤x＜2，0＜y＜1.0。

在一实施例中，三维多孔石榴石为Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂。

三维多孔石榴石微结构作为刚性骨架能抑制锂枝晶，而PSSE中连续的GPE作为离子高速通路，保证了高离子电导率(不低于1.06×10^-3S/cm)。因而，通过使用本发明所提供的的固体电解质，能够实现具有高的离子电导率的固体电解质层。因此，通过使用本发明所涉及的固体电解质，能够实现具有优异的电池特性的全固态电池。

另一方面，本发明提供一种制备上述固体电解质的方法，包括如下步骤：利用辅助模板法合成三维多孔石榴石(PSSE)，PMMA纳米球作为模板来造孔；将甘醇醚类、含有给电子性氧原子的聚合物、锂盐溶解在有机溶剂中，再将混合溶剂注入PSSE框架，干燥后得到PSSE/GPE复合固体电解质。

在一实施例中，甘醇醚类为四甘醇二甲醚(TEGDME)、锂盐为LiClO₄盐、含有给电子性氧原子的聚合物为聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)、有机溶剂为丙酮。