[发明专利]单离子导体聚合物全固态电解质及包含其的锂二次电池

说明书

本发明涉及一类单离子导体全固态聚合物电解质及其构成的全固态二次锂电池。单离子导体全固态聚合物电解质包括：聚阴离子锂盐，基体有机聚合物及无机填料；其室温离子电导率为2×10^‑4S/cm～1.2×10^‑3S/cm，电化学氧化窗口大于4V。本发明所述单离子导体全固态聚合物电解质制备简单，机械性能良好，具有较高的离子电导率，电化学氧化窗口较宽；同时可有效抑制锂金属负极循环过程中枝晶的生长，提高了界面稳定性和长循环性能。

技术领域

本发明涉及固态电解质，特别提供一种单离子导体聚合物全固态电解质及其构成的全固态锂二次电池。

背景技术

动力电池是电动汽车的核心，开发高效动力电池系统对我国摆脱对外石油依赖，改善城市空气环境及实现能源资源可再生化利用具有极其重要的作用，具有重大的经济和社会效益。锂系电池因其重量轻、比能量比功率高、寿命长等特点成为最主要的动力电池路径方向，目前的动力锂离子电池在结构上主要有五部分：正极、负极、电解液、隔膜、外壳与电极引线。电解质作为电池的重要组成部分之一，它的性能的好坏直接影响锂离子电池的性能的优化和提高。作为一个性能优良的电解质至少应具备三个条件：(1) 离子电导率高：(2)电化学稳定性好，即与电极材料有好的相容性和稳定性：(3)耐热性能优异。研究表明，电解质的组成、化学配比和结构决定着电解质的性能，从而最终影响锂离子电池的性能。所以，研究电解液对提高电池的综合性能至关重要。

现有电化学动力锂离子电池电解质包含液态有机溶剂、锂盐和聚烯烃隔膜。使用中电解液易泄露挥发，造成电池“干区现象，进而限制和影响电池的性能，缩短其使用寿命。同时聚烯烃隔膜尺寸热稳定性差，当电池因为受热或极端情况下，因隔膜收缩或融化而导致短路，从而发生爆炸。以固体电解质替代有机液体电解液的全固态锂电池，在解决传统锂离子电池能量密度偏低和使用寿命偏短这两个关键问题的同时，有望彻底解决电池的安全性问题，符合未来大容量新型化学储能技术发展的方向。与液体电解质相比，在电池中使用全固体聚合物做电解质，具有以下优点：全固态聚合物电解质可抑制枝晶的生长；因可避免液体泄露，提高安全性；电池的形状适应性增强，可适应未来电池的个性化发展，并可通过涂布工艺、层压工艺等进行电池的整体制造。

对于全固态锂二次电池的研宄，按电解质区分主要包括两大类：一类是以有机聚合物电解质组成的锂二次电池，也称为聚合物全固态锂电池；另一类是以无机固体电解质组成的锂二次电池，又称为无机全固态锂电池。在聚合物电解质中，形成基体的有机聚合物包括聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氯乙烯。公开的聚合物电解质实例如下：公开号为US 4792504(A)的发明专利描述了一种聚合物电解质，它含有聚二甲基丙烯酸乙二醇/聚环氧乙烷，但其机械性能不高。申请号为 CN200710144760的发明专利描述了一种添加超细粉填料于聚环氧乙烷的电解质，机械性能良好，但其离子电导率不是很高。公开号为CN1411475A的发明专利描述了一种包含两亲性接枝共聚物的聚合物电解质。公开号为CN 1428363A的发明专利描述了一种纳米孔聚合物电解质膜，有较优良的充放电性能和循环性能，这两种膜性质较为不错，但都是凝胶聚合物电解质。

聚氧化乙烯(PEO)/锂盐型电解质在全固态锂聚合物电池中己有应用，但从实用化角度来看仍然有些问题需要解决：线形和接枝聚合物机械性能较差，不易制得独立支撑的聚合物薄膜，而网状聚合物电导率又太小。因此这类电解质体系只适合在高温或微电流条件下工作，而难于在常温下工作的锂电池中得到实际应用。

另外，在常规的有机固态电解质中，电解质盐一般是LiFSI、LiTFSI等小分子锂盐，在充放电过程中，体积位阻较大的阴离子会与Li离子共同迁移，造成离子迁移阻力增大，离子迁移率较低，电池极化加剧等问题，而聚阴离子锂盐中，阴离子聚合固定在聚合物基体，不会随Li离子迁移，离子迁移数接近1.0，大幅提高了有效电导率，提升电池整体电化学性能。

发明内容