[发明专利]一种锂电池固态电解质及制备方法、电解质膜及其应用

说明书

本发明公开了一种锂电池固态电解质材料、电解质膜及其构成的全固态锂电池的制备和应用。该固态电解质材料是一种有机‑无机杂化聚合物材料，由有机‑无机杂化材料基体、无机纳米填料和锂盐组成；该杂化材料基体由金属/非金属烷氧化物（或金属无机盐）等前驱体在一定条件下水解后、与聚环氧乙烷通过交联反应制备得到；无机纳米填料通过物理方式混合加入，作为刚性组分，保证电解质材料的机械性能。该电解质薄膜厚度为5～500um；60°C时离子电导率为1×10^‑4S/cm～1×10^‑3S/cm，电化学窗口大于5.0V。本发明的全固态有机‑无机杂化电解质，可通过卷对卷的涂布工艺批量生产，加工性能良好，电化学窗口较宽，可用于制备高温条件下运行的、高能量密度的、安全型全固态锂电池。

技术领域

本发明涉及固态电解质膜技术领域，尤其涉及一种有机-无机杂化聚合物固态电解质材料及其制备方法、电解质膜及其构成的全固态锂电池。

背景技术

锂离子电池具有能量密度大、使用寿命长、环境污染低等优点，已经在各种便携式电子产品中得到广泛应用，并已逐渐应用到电动汽车、储能等领域中。然而，商业化的锂离子电池中使用的是有毒、易燃的有机电解液，其在电池热失控情况下极易发生燃烧、爆炸。此外，作为电动汽车的动力电源，锂离子电池的能量密度仍然不能满足要求。利用固态电解质来替代电解液，不但可以有效地解决安全问题，还能够缓解锂枝晶造成的短路问题，从而可以采用高容量金属锂作为电池负极，有望提升锂电池的能量密度。此外，固态电池能够采用堆栈式的结构设计，可以大大简化电池构造，从而进一步提升电池的能量密度。

固态电解质基本可以分为无机固态电解质和有机聚合物固态电解质。无机固态电解质具有电导率高、电化学窗口宽、机械强度高等优点，但是其制备过程复杂，生产成本高，电极/电解质接触界面阻抗大，其高硬度、高脆性的特点也带来了加工性能差等问题。相比而言，聚合物电解质尽管电导率相对较低，但其具有轻质、易成膜、电化学窗口宽、与正负极界面相容性好等优点，并且可以通过涂布工艺批量生产，与目前的锂电池制造工艺能够很好的匹配。

在聚合物电解质中，目前公认最适合的基体材料当属聚环氧乙烷（又名聚氧化乙烯，简称PEO）。室温下PEO 的导电率较差，仅为 10^-7～10^-6 S/cm， 这主要是由其结晶度太高所致。通过复合纳米粒子改性，可以抑制PEO的结晶度，有效提高PEO的电导率。公开的聚环氧乙烷体系的电解质实例如下：CN201410683144.1描述了一种纳米颗粒复合聚环氧乙烷基的固态电解质，室温下锂离子电导率10^-5 S/cm。CN201511033107.7公开了一种硫化物无机固态电解质与有机聚合物复合的电解质材料，80°C下电导率最高达到1.21×10^-3 S/cm。目前，PEO基聚合物电解质存在的主要问题，一是现有的改性方法的效果仍然有限，离子电导率仍然比较低，难以满足实际应用要求；二是聚合物机械性能、加工性能比较差，不易通过卷对卷的涂布工艺实现批量生产。有机-无机杂化聚合物固态电解质，通过在PEO聚合物溶液中原位的合成纳米团簇，并进一步通过交联反应，可以实现在纳米甚至分子尺寸上的有机/无机复合改性，有效抑制PEO的结晶性能；同时引入刚性的无机纳米填料，改善其机械加工性能、电化学稳定性和热稳定性，最大限度地实现固态电解质综合性能的提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有机-无机杂化聚合物固态电解质材料及其制备方法、电解质膜及其构成的全固态锂电池。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

本发明提供了一种锂电池固态电解质材料，该固态电解质材料是一种有机-无机杂化聚合物材料，由有机-无机杂化材料基体、无机纳米填料和锂盐组成；该有机-无机杂化材料基体由金属/非金属烷氧化物（或金属无机盐）等前驱体在催化剂的作用下水解，然后再与聚环氧乙烷(PEO)通过交联反应制备得到。