[发明专利]锂金属电池复合凝胶聚合物电解质及其制备和应用

说明书

本发明涉及锂金属电池材料，具体涉及一种锂金属电池复合凝胶聚合物电解质的制备方法，其特征在于，由包含有机聚合物基体、氮化钛、增塑剂、电解液的原料溶液经电纺丝得到。本发明还包含所述的制备方法制得的固态电解质以及在锂金属电池中的应用。研究发现，本发明所述的聚合物薄膜各向同性、离子电导率较高、机械性能良好，可用于锂硫电池、锂空气电池等各类以金属锂为负极的高能二次电池中。

技术领域

本发明属于锂金属电池，具体涉及一种锂金属电池复合凝胶聚合物电解质。

背景技术

二次锂电池包括锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池目前被广泛应用于各类电子器件、移动电话、笔记本电脑及其他便携式设备中，但是随着当前社会对高能量密度二次电池的需求越来越大，且锂离子电池的正负极材料已经接近其理论能量密度，很难再有很大的提高，同时商业化锂离子电池使用的是非质子有机电解液，其蒸汽压较高，闪点较低，在电池意外短路的情况下易引起燃烧和爆炸。锂金属电池的理论能量密度要比其他体系高很多，但不同于常规的锂离子电池的负极发生的是锂离子在石墨负极中的嵌入和脱出。金属锂负极在电池中的作用机制是金属锂的沉积和溶解，其基本反应式为：充电:Li⁺+e＝Li；放电:Li-e＝Li⁺。对于锂金属电池而言，其对材料的要求具有不同的要求。且锂金属电池更容易形成锂枝晶，不仅带来安全隐患，也会降低电池的使用寿命，因而限制了其大规模的商业化应用。

针对这些问题，研究人员进行了大量研究，希望将有机溶剂替换或至少通过某种方法降低其可燃性和蒸汽压。其中一个行之有效的方法就是使用聚合物电解质替换液体电解液，在解决安全性问题的同时，还可以用于锂金属电池中。自行从1973年Wright等首先报道了聚环氧乙烷-碱金属盐的聚合物体系后，关于聚合物电解质的研究在国内外铺展开来。聚合物具有优异的加工性能，不含可燃性液体，对枝晶有抑制作用，具有高度形稳性，可以省去隔膜。但是同时也存在很多问题，如溶剂的迁移性和挥发性较大、化学及电化学稳定性较差，热稳定性较差，机械性能较差等。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明第一目的在于，提供一种锂金属电池复合凝胶聚合物电解质的制备方法，旨在制备一种在锂金属电池领域具有优异性能的复合凝胶聚合物电解质。

本发明第二目的在于，提供一种所述的制备方法制得的锂金属电池复合凝胶聚合物电解质。

发明第三目的在于，提供一种所述的锂金属电池复合凝胶聚合物电解质的应用。

本发明第四目的在于，提供一种装配有所述的复合凝胶聚合物电解质的锂金属电池。

一种锂金属电池复合凝胶聚合物电解质的制备方法，由包含有机聚合物基体、氮化钛、增塑剂、电解液的原料溶液经电纺丝得到。

本发明研究发现，创新地使用氮化钛，并利于其参与聚合物的交联凝胶化，如此有助于制得在锂金属电池中具有优异性能的复合凝胶聚合物电解质。

作为优选，氮化钛为纳米粒子，优选的尺寸为1nm-500nm，优选为20-200nm。

本发明中，所述的氮化钛为氮化钛的纳米晶、纳米球、纳米花、纳米线、纳米棒、纳米片中的一种或几种。

优选地，所述的氮化钛为纳米晶、纳米线的混合物。研究发现，采用该形貌的氮化钛联合使用，能够意外地进一步配合所述的原位交联作用，有助于进一步搭建交联聚合物的刚-柔网络，有助于进一步改善聚合物电解质的电化学性能。

进一步优选，所述的氮化钛为重量比为1～3:1的纳米晶、纳米线的混合物。

作为优选，所述的有机聚合物基体包括聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸乙酯、聚ε-已内酯、壳聚糖中的一种或几种。