[发明专利]一种复合固态电解质及其制备方法以及在全固态锂电池中的应用

说明书

本发明公开了一种复合固态电解质，其特征在于：其组成包括：聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯或其衍生物、锂盐以及无机纳米颗粒，其中聚氧化乙烯在电解质中的质量百分比含量为20‑80％；聚偏氟乙烯或其衍生物在电解质中的质量百分比含量为5‑30％；锂盐在电解质中的质量百分比含量为10‑40％；无机纳米颗粒在电解质中的质量百分比含量为5‑60％。优点是：具有较高的室温离子电导率，较宽电化学窗口和较高的机械性能；提供的复合固态电解质制备方法，可有效规避LATP，LLTO，LGPS等与负极的接触，避免了Ti⁴⁺以及Ge⁴⁺的氧化还原反应；复合固态电解质具有较高的机械性能和优良的电化学稳定性，组装的电池具有稳定循环性能以及较高的容量发挥。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，涉及了一种固态电解质，还涉及了一种固态电解质的制备方法，尤其涉及了一种固态电解质在全固态锂电池中的应用。

背景技术

随着经济和技术的发展，绿色能源包括核能、风能、地热、氢能、太阳能等成为能源领域的新宠。为了收集、使用这些能源，高效储能器件成为必不可少的工具。锂离子电池作为一种高效储能器件，具有比能量高、比功率高、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、无环境污染等优点，广泛应用在便携智能设备，新能源汽车、无人机、大规模储能电网等领域。

目前商用锂离子电池普遍以含有锂盐LiPF₆的液态有机溶剂作为电解质。由于此类有机溶剂易挥发且易燃烧，导致锂离子电池存在着火、爆炸等安全隐患。全固态锂离子电池用固态电解质取代有机电解液和隔膜，具有不挥发、不易燃等优势。因此，用固态电解质取代液态电解质可以存根本上解决锂电池的安全问题。采用固态电解质，可以大幅度减轻电池质量，提供电池能量密度；同时，由于固态电解质可以有效抑制锂枝晶的生长，使得金属锂作为负极应用到电池中变得更加明朗。

在全固态电解质材料中，聚合物与锂盐混合制备的薄膜可以发挥隔膜和电解液的作用。聚氧化乙烯(PEO)具有柔顺性、黏弹性好以与极片具有良好的接触等优点，成为一种研究广泛的聚合物电解质材料，然而由于室温电导率偏低(10^-6～10^-8S/cm)，电化学窗口较窄的缺陷(3.8V vs Li⁺/Li)，且粘度大，加工不便等劣势，严重限制其应用；通过在聚氧化乙烯(PEO)基电解质中引入无机纳米颗粒，不仅可以大幅度提高电化学窗口，而且可以提高离子电导率、离子迁移数、并改善其机械性能等，但是独立成膜性没有得到有效的解决。而聚偏氟乙烯(PVDF)作为另外一种常见聚合物材料，由于具有良好的成膜性，高的机械性能受到广泛关注，然而与极片较大的界面阻抗严重限制其在固态电池中的应用。因此，需要寻求一种新的技术来解决上述问题。

基于此本发明提供一种聚合物-聚合物-无机纳米颗粒复合固态电解质，该复合固态电解质不仅具有较高的电化学窗口(5.0V～5.3V)，而且与正负极片具有较高的兼容性，较稳定且低的界面阻抗。采用本复合固态电解质组装的全固态锂金属电池具有稳定的循环性能和较高的容量发挥。

发明内容

本发明的目的是：针对上述不足，提供一种适用于全固态锂电池、改善极片与电解质之间的固-固界面兼容性、实现界面锂离子快速传输的高性能复合固态电解质薄膜。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种复合固态电解质，其组成包括：聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯或其衍生物、锂盐以及无机纳米颗粒，其中聚氧化乙烯在电解质中的质量百分比含量为20-80％；聚偏氟乙烯或其衍生物在电解质中的质量百分比含量为5-30％；锂盐在电解质中的质量百分比含量为10-40％；无机纳米颗粒在电解质中的质量百分比含量为5-60％。