[发明专利]一种用于全固态锂电池的PEO基固态聚合物电解质及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池材料领域，提明公开一种用于全固态锂电池的PEO基固态聚合物电解质及其制备方法。本发明侧重点在于以下两个方面：1.提高固态聚合物电解质的电化学性能；2.改善固态聚合物电解质与正极之间的界面接触，大大减小接触阻抗，提高全固态锂离子电池的循环性能。主要方案包括如下步骤：将聚氧化乙烯(PEO)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、纳米BaTO₃、聚碳酸丙烯酯(PPC)和乙腈按照比例混合制备PEO基聚合物凝胶溶液；将PEO基聚合物凝胶溶液置于玻璃板上，刮涂至适当厚度，然后加热固化形成固态电解质膜。本发明中的固态聚合物电解质具有良好的电化学性能，同时可以有效解决聚合物电解质与正极之间界面接触问题，可应用与全固态锂离子电池。本发明生产过程便捷，成本较低，适用于大规模工业化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，涉及一种用于全固态锂电池的PEO基固态聚合物电解质及其制备方法。

背景技术

商品化锂离子电池大多使用以有机碳酸酯类(例如：碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯)与锂盐组成的液态电解质，这类电解质在温度较高时容易燃烧，导致电池的安全性和电化学性能都大幅下降，因而并不能很好的适用于大规模的动力电源。另外，动力能源要求更高的能量密度，往往需要开发具有更高电压的正极材料、更高比容量的负极材料，这就意味着电池会具有更高的风险性。基于这样的背景，固态电解质这个领域成为了研究者们关注的重点。

固态电解质具有更宽的电化学窗口，更易搭载高电压正极材料：提高正极材料容量需要充电至高电压以便脱出更多的锂，目前针对钴酸锂的电解质溶液可以充电到4.45V，三元材料可以充电到4.35V，继续充到更高电压，液态电解液会被氧化，正极表面也会发生不可逆相变，三元811电池的推广目前便受到了耐高压电解液的制约。而固态电解质的电化学窗口更宽，可达到5V，更加适应于高电压型电极材料。随着正极材料的持续升级，固态电解质能够做出较好的适配，有利于提升电池系统的能量密度。

更重要的一点在于，固态电解质的电池体系能够兼容金属锂负极，提升能量密度上限。因为金属锂高容量与高电压的特性，让其成为继石墨与硅负极之后的“最终负极”。为了实现更高的能量密度目标，以金属锂为负极的电池体系已成为必然选择。金属锂的优势如下：(1)锂金属的克容量为3860mAh/g，约为石墨(372mAh/g)的10倍，(2)-金属锂是自然界电化学势最低的材料，为-3.04V。同时其本身就是锂源，正极材料选择面更宽，可以是含锂或不含锂的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空气，分别对应能量密度更高的锂硫和锂空电池，理论能量密度接近当前电池的10倍。

而在可充放电池领域，金属锂负极在液态电池中存在一系列技术问题至今仍缺乏有效的解决方法，比如金属锂与液态电解质界面副反应多、SEI膜分布不均匀且不稳定导致循环寿命差，金属锂的不均匀沉积和溶解导致锂枝晶和孔洞的不均匀形成。

固态电解质在解决锂金属负极应用问题上被科学界寄予厚望。研究者把解决金属锂负极的应用问题寄希望于固态电解质的使用，主要思路是避免液体电解质中持续发生的副反应，同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。此外，由于固态电解质将正极与负极材料隔离开，不会产生锂枝晶刺破隔膜的短路效应。因为固态电解质对于锂金属负极拥有更好的兼容性，所以锂金属材料可以在固态电池平台上得到很好的应用。