[发明专利]固态电解质及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种固态电解质及其制备方法与应用，固态电解质包含膜材和电解质盐，有机相包含有三维连通的界面且比界面积大于等于1×10⁴ cm²/cm³，电解质盐溶解于有机相中。固态电解质的制备方法包括采用静电纺丝技术将高分子材料的溶液喷射到选定接收面形成连续的三维结构和选择性地同时采用静电喷雾技术将无机颗粒的分散液喷射到选定接收面上，并之后进行加压处理得到膜材；再将电解质盐的溶液滴加或喷射到膜材中或将膜材浸渍到电解质盐的溶液中。本发明的固态电解质室温电导率高达10^‑3S/cm以上，且不依赖于特种聚合物或填料的添加，具有制备简单、成本较低、原料来源广泛等优势。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及固态电解质，其制备方法及包含该固态电解质的电化学器件。

背景技术

过去20年，伴随着便携式消费电子产业的飞速发展，锂离子电池由于能量密度高，循环性能及倍率性能良好，商业化取得了巨大成功。然而，过去几十年不断发生的锂离子电池安全事故一直是领域内的隐忧。

锂离子电池因为发生内部短路或其他原因导致的电池内部温度过高会发生起火爆炸的隐患，最主要的原因是使用了高温易燃的有机电解液作为锂离子导电网络。所以，一旦电池内部温度因为各种原因(比如电池内部短路)达到有机溶剂的燃点，就会引发电池的起火，甚至爆炸，电池能量密度越高，危害越大。这个安全问题早在锂离子电池诞生之初就已经存在。近数十年来的研究认为，发展全固态锂离子电池，有可能从根源上解决这个安全隐患。

具体而言，如图1所示，在全固态电池中，由于没有易燃易分解的有机溶剂，电池的安全性能就可以得到大幅提升，同时电池也不会有漏液，电解液干涸，气胀等影响电池电化学性能的问题。而且，全固态电池的质量更小，体积能量密度更高，电池的设计组装也更加灵活。因此，发展不易燃烧的全固态锂离子电池是发展高安全性、高能量密度、高功率密度、长循环寿命的下一代电池的必然选择。但是，目前全固态电池的推广应用还受到很多技术方面的制约，尤其是其中固态电解质的开发存在很多技术挑战。一般来说，电池能够工作的一个重要必要条件是离子可以在电池内部的正负极之间来回传输，而电子可以通过外电路形成可被利用的电流。对于液态电池来说，正负电极之间有离子电导率很好的液态电解液作为离子传输媒介，而且液态电解液跟正负极的接触都很充分，所以正负极之间离子的传输自然不成问题。对于目前已经产业化的准固态电池来讲，凝胶态的电解质的性质与液态电解液类似，只是电导率略差，与正负极电极材料颗粒的接触也相对紧密，所以正负极之间的离子的传输也不成问题。但是，对于全固态电池来说，正负极之间的离子传输需要依赖固态电解质，一般固态电解质的离子电导率比液态电解液要低两个数量级，且固态电解质与正负极材料之间即使是紧密接触，也通常是处于点对点接触的状态，所以正负极材料之间的离子传输尤其困难。

因此，全固态电池的核心组分就是固态电解质，理论上一个良好的固态电解质需要具备以下特征：

(1)良好的离子电导率，通常是要接近10^-3S/cm。目前固态电解质的锂离子电导率都比较低(一般比液态电解液低2个数量级)，很难满足电池实际应用，尤其是大电流充放电的需求。

(2)低的界面阻抗，包含固态电极与电解质之间的界面阻抗，以及电极和电解质内部颗粒之间的界面阻抗。目前固态电解质与正负极的固态活性颗粒界面阻抗大，以及电极和电解质内部颗粒之间的阻抗大，使得电池很难正常充放电。

(3)固态电解质要尽可能的薄，这样单位面积电导高，电解质的总电阻小；同时要有良好的力学性能，以有效分隔正负极，抑制锂枝晶；又要有一定的柔韧性，以得到良好的加工性能，以及能够包容充放电池正负极材料产生的大体积变化。

除了以上几点，固态电解质还需要具有良好的热稳定性、电化学稳定性，以及与电池正负极化学势匹配等。