[发明专利]一种无机陶瓷离子导体基复合固态电解质薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开一种无机陶瓷离子导体基复合固态电解质薄膜及其制备方法。所述复合固态电解质薄膜以无机陶瓷快离子导体颗粒为提供机械支撑的固相基体，并利用多功能有机溶剂的溶解性和增塑性的双重作用将溶胀有有机溶剂和含锂盐的离子液体电解质的聚合物材料均匀包覆在无机陶瓷快离子导体颗粒周围形成连续的柔性有机‑无机复合框架；其中，无机陶瓷快离子导体颗粒的质量分数比为55~65%，聚合物材料的质量分数比为5~10%，离子液体电解质的质量分数比为15~25%。

技术领域

本发明涉及固态锂电池领域，尤其涉及一种无机陶瓷离子导体基复合固态电解质薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来信息技术和电子科技蓬勃发展，数字化人工智能成为科技研发主力。可充电储能体系锂离子电池因为具有重量轻、循环性能稳定且无记忆效应等性能优势，已经在便携式电子设备领域得到广泛应用。但是锂离子电池还存在热失控、易泄露、易燃等安全隐患，且理论能量密度较低，因而限制了其在电动汽车等更高储能场景中的应用。相比传统有机电解液，固态电解质的使用既能很好地解决安全性问题，又具有更宽电化学窗口、稳定的物理化学性能、高机械强度的优点，使其可以与高电压正极材料和锂金属负极匹配实现高储能场景下的应用。

为了实现高性能柔性固态电解质的制备，聚合物材料复合无机固态电解质是主要的研究方案。目前柔性复合电解质的研究主要集中在聚合物材料作为主要组分起到柔性框架的作用，无机电解质通常以填料形式少量掺入到所述聚合物基体中，来降低聚合物材料的结晶度从而提升电解质的离子电导率。但由于无机陶瓷离子导体相比聚合物材料具有更高的离子电导率，所以以离子电导率更低的聚合物材料作为主要组分很难充分发挥无机电解质的高离子电导率的特点。

另外，常用的有机-无机复合电解质的溶剂制备法，通常会引入第三方溶剂，如乙醇，而第三方溶剂常由于无法充分蒸干而残留在基体中，造成电解质稳定性下降，由于促进含氟锂盐分解的副反应引起电池体系的稳定性，影响电池性能。

针对上述问题，本发明开发一种以无机电解质为主要组分，且对电池各组分稳定的柔性复合固态电解质。

发明内容

基于上述存在的技术问题，本发明提供一种新成分的无机陶瓷离子导体基复合固态电解质薄膜及其制备方法。所述固态复合电解质由无机离子导体纳米粉作为离子电导主要成分并提供机械支撑，聚合物材料均匀分布在纳米粒子周围起到粘结固定作用，形成复合柔性框架；离子液体具有较高的离子导电率，既可以增强离子传导又可以作为增塑剂从而优化复合电解质结构。此外，本发明选用应用在锂电池中作为电解液组分的有机溶剂来溶解聚合物材料，由于其对电池各组分稳定，并利用其与离子液体的协同效应，通过控制复合电解质中有机溶剂的保有量提高界面润湿性及复合电解质的综合性能。

第一方面，本发明提供一种无机陶瓷离子导体基柔性复合固态电解质薄膜。所述复合固态电解质薄膜以无机陶瓷快离子导体颗粒为提供机械支撑的固相基体，并利用多功能有机溶剂的溶解性和增塑性的双重作用将溶胀有有机溶剂和含锂盐的离子液体电解质的聚合物材料均匀包覆在无机陶瓷快离子导体颗粒周围形成连续的柔性有机-无机复合框架；其中，无机陶瓷快离子导体颗粒的质量分数比为55～65％，聚合物材料的质量分数比为5～10％，离子液体电解质的质量分数比为15～25％。

现有的柔性固态电解质是以聚合物为主要组分(含量50％)，其中的无机纳米网络是由惰性(不具有离子传导性)无机材料构成而主要起到固相支撑的作用，离子液体起到形成离子凝胶的作用，且在整个电解质中占比较大。而本发明是以无机陶瓷离子导体为基体的复合固态电解质，无机电解质离子电导率比聚合物材料更高。而且本发明所用的无机陶瓷材料为快锂离子导体可以在起到固相基体支撑作用的同时有效传导锂离子，形成锂离子传导率高的复合固态电解质；离子液体的主要作用包括提供离子传导通道及与有机溶剂协同优化电极/电解质界面：上述有机溶剂与离子液体混合能够有效润湿电极/电解质的界面，降低界面阻抗，同时形成致密稳定的SEI层和CEI层。