[发明专利]一种用于固态锂电池的复合正极及其制备方法和应用

说明书

一种用于固态锂电池的复合正极及其制备方法和应用，它涉及复合正极及其制备方法和应用。它是要解决现有固态锂电池中正极与固体电解质界面接触差、正极内部离子/电子传导不连续、以及活性物质载量过低的技术问题。本发明的复合正极由多孔正极骨架和填充的聚合物电解质组成。制法：采用静电纺丝技术制备三维互联的多孔正极骨架；将含有聚合物单体、锂盐和引发剂的聚合物电解质前驱液，滴在多孔正极表面，静置后将极片加热聚合固化，得到复合正极。组装成固态锂电池在2.8～4.3V电压区间内循环，正极活性材料负载量为9.28mg/cm²时首圈放电比容量为128.0mAh/g，52圈循环内循环稳定，可用于固态锂电池领域。

技术领域

本发明涉及一种复合正极及其制备方法，属于固态锂电池领域。

背景技术

固态锂电池具有能量密度高及安全可靠等优势，已成为当今储能领域的研究热点之一，倍受研究者的关注。近年来多种高离子电导率和宽电化学窗口的固体电解质层出不穷，但固态锂电池的功率密度和循环寿命仍离实际应用有一定距离。其原因在于，与传统液态锂离子电池中的固-液界面相比，由于固体电解质无润湿性，使得固态锂电池中电极与固体电解质之间形成的固-固界面具有更高的接触电阻。同时，根据化学、电化学、机械方面对失效机理的大量研究发现，电极/固体电解质的界面不兼容性、以及电极由于体积变化导致的界面应力累积，都会使得电荷转移电阻增加。因此，解决固态锂电池中的界面问题是取得电池性能根本性突破的关键因素。

目前，关于固态锂电池界面问题的研究多集中在改善电极与电解质的层间界面接触与电化学稳定性，对于电极材料内部颗粒间的界面改善及机理的研究较少。除此之外，多数研究采用低载量活性材料，而且电极内添加较多导电剂和固态电解质，使得固态锂电池失去了高比能量密度的优势。因此通过调控固体电解质/电极之间界面以及电极内部颗粒之间的固-固界面，同时开发研究高载量电极材料，才有望能满足新能源动力汽车等领域对固态锂电池的性能需求。

发明内容

本发明是要解决现有的固态锂电池中正极与固体电解质界面接触差、正极内部离子/ 电子传导不连续、活性物质载量过低的技术问题，而提供一种用于固态锂电池的复合正极及其制备方法。

本发明的用于固态锂电池的复合正极由多孔正极骨架和填充的聚合物电解质组成；其中多孔正极骨架由正极活性材料、导电剂和粘结剂组成；其中导电剂的质量占正极活性材料质量的10％～12.5％；粘结剂的质量占正极活性材料质量的10％～12.5％；填充的聚合物电解质由锂盐、聚合物单体和引发剂组成；其中锂盐的质量占聚合物单体质量的10％～16％，引发剂的质量占聚合物单体质量的0.5％～1％；多孔正极骨架中的正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或镍钴锰酸锂。

更进一步地，多孔正极骨架中的导电剂为导电炭黑、碳纳米管、碳纤维和石墨烯中的一种或多种。

更进一步地，多孔正极骨架中的粘结剂为聚偏氟乙烯。

更进一步地，填充的聚合物电解质中的锂盐为二氟草酸硼酸锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂、双乙二酸硼酸锂和双氟磺酰亚胺锂中的一种或其中几种的组合。

更进一步地，填充的聚合物电解质中的聚合物单体为碳酸亚乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、三乙二醇二丙烯酸酯中的一种或其中几种的组合。

更进一步地，填充的聚合物电解质中的引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈。

更进一步地，多孔正极骨架的质量为复合正极质量的90％～95％，填充的聚合物电解质的质量为复合正极质量的5％～10％。

上述的用于固态锂电池的复合正极的制备方法，按以下步骤进行：

一、将硝酸盐溶于溶剂Ⅰ中，室温搅拌，形成均匀的溶液；将高分子聚合物加入所得溶液中，室温搅拌，得到均匀、粘稠的静电纺丝前驱液；其中硝酸盐是正极活性材料中金属元素的硝酸盐；正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或镍钴锰酸锂；