[发明专利]一种多层聚合物电解质以及电池

说明书

本发明提供一种多层聚合物电解质，所述聚合物电解质包括层叠布置的第一电解质层和第二电解质层，第一电解质层用于与正极接触并对正极电化学稳定，第二电解质层用于与负极接触并对负极电化学稳定。在本发明提供的双层聚合物固态电解质中，高电压稳定的聚合物电解质层与正极接触，低电压稳定的聚合物电解质层与负极接触，同时满足了正负极的稳定性条件，得到宽的氧化还原窗口。另外，聚合物具有柔性，有助于降低界面电阻。本发明为固态聚合物电解质材料设计和优化提供了一种新的策略，利用双层结构使高电压正极和低电压金属负极共存于电池中。这一全新的固态电解质设计将大大加速固态二次电池的开发和商业化。

技术领域

本发明属于电池技术领域，主要涉及一种双层聚合物电解质，以及包括该双层聚合物电解质的电池。

背景技术

随着人们对高能量密度电池的需求的增长，传统锂离子电池电极材料难以满足电动汽车的能量要求，因此需要考虑具有高比能量的电极材料。就目前而言，仅凭提高正极材料的能量密度目前已无法满足需求，利用金属锂代替传统石墨碳负极则可以极大提高电池的能量密度，因此金属锂电池成为了下一代电池的关注重点。

传统锂离子电池采用的碳酸酯类有机液体电解质，其费米能级的最低未占据轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital，LUMO)比金属锂低1.2eV，因而会先于锂离子被还原，并在负极表面形成Li⁺可以穿透的固体电解质界面层(solid-electrolyteinterphase，SEI)。该固体电解质界面层在长期循环中不断增厚，同时持续消耗电解液、粉化金属锂负极，直至电解液耗尽、电池失效。这种循环不稳定的界面，导致传统有机电解液不能应用于金属锂电池。为了满足与金属锂负极的界面稳定性，人们开始对固态电池进行了研究。

此外，在传统的含电解液的锂离子电池中，醚类溶剂在高电压下极易被氧化分解，然而在循环过程中却易于金属锂负极表面形成良好的界面钝化膜，从而有效地抑制锂枝晶并提高库伦效率。以乙二醇二甲醚(dimethoxyethane,DME)为例，其与金属锂反应活性低，且生成SEI的主要成分是烷氧锂类(lithium alkoxy species,ROLi)，SEI膜很稳定。含有碳酸酯和酰胺的电解质则具有高电压稳定性，不易在正极表面被氧化分解；然而，其在金属锂负极表面却容易被还原，不仅降低了库伦效率，也容易导致充放电过程中锂枝晶的形成。以碳酸二乙酯(diethyl carbonate,DEC)为例，其被金属锂还原得到以碳酸烷基酯(alkylcarbonate,RCO₂Li)类为主要成分的不稳定SEI层。在以上示例中，高电压稳定的溶剂易被金属锂还原，而低电压稳定的溶剂易被高电压正极氧化(例如醚类、PEO衍生物)。目前为止，没有单一的溶剂可以同时满足正负极表面的稳定性需求、并具备高介电常数来溶解锂盐、低粘度来允许锂离子输运。并且，在传统的有机液体电解质电池系统中，由于液体电解质的自由流动性，高电压稳定和低电压稳定溶剂的混合液会导致循环性能降低。