[发明专利]一种有机-无机复合准固态电解质以及准固态锂电池

说明书

本发明涉及一种有机‑无机复合准固态电解质以及准固态锂电池。所述电解质包含无机离子导体纳米颗粒和包裹并固化在所述无机离子导体纳米颗粒表面的复合有机电解液；所述复合有机电解液由溶有锂盐的有机溶剂与离子液体均匀混合形成，所述离子液体由双三氟甲烷磺酰亚胺、三氟甲基磺酸、六氟磷酸、四氟硼酸、双氟磺酰亚胺中的一种阴离子与季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子中的一种阳离子构成；所述电解质中复合有机电解液含量为30～40 wt.%，无机离子导体纳米颗粒含量为60～70 wt.%。

技术领域

本发明涉及准固态锂电池领域，尤其涉及一种新成分的有机-无机复合准固态电解质。

背景技术

随着电子和信息技术的发展，锂离子电池作为可充电储能体系已经广泛应用于各种便携式电子设备，因为其具有质量轻，能量密度可观，较稳定的循环性能且无记忆效应等优点。但是由于锂离子电池存在安全隐患，且理论能量密度不高，限制了其在电动汽车等更高储能场景中的应用。相比传统有机电解液，固态电解质的使用既能很好地解决安全性问题，并且具有稳定的物理化学性能、高机械强度、宽电化学窗口的优点，使其可以与高电压正极材料和锂金属负极匹配大幅提高锂电池能量密度。

目前对固态电解质的研究内容主要包含无机固态电解质、聚合物固态电解质和无机-有机复合固态电解质。其中无机固态电解质拥有离子电导率高、电化学和化学稳定性好、机械强度高等特点，并且通过掺杂改性后部分无机固态电解质离子电导率可进一步提升达10^-3S cm^-1、电化学窗口接近5V，是当下研究的热点。但由于无机固态电解质室温电导率仍不及液态电解质，并且与电极间是固/固界面接触，使得界面阻抗较大，离子传输受阻引起锂不均匀沉积，循环性能差等缺点，使全固态锂电池的电化学性能不佳。

针对无机固态电解质与电极界面接触较差的问题，常见的方法是在无机电解质中加入聚合物、离子液体等有机成分复合，增加电解质的柔性，优化界面接触降低界面阻抗。但由于聚合物电解质的离子电导率也不够，复合电解质室温离子电导率较低，并且界面接触仍不及传统液相电解质，如何将适当的有机成分与无机固态电解质复合制备高离子电导率、对电极高润湿性的有机-无机复合电解质仍有待研究。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种有机-无机复合准固态电解质以及准固态电解质电池。

第一方面，本发明提供了一种有机-无机复合准固态电解质，所述电解质包含无机离子导体纳米颗粒和包裹并固化在所述无机离子导体纳米颗粒表面的复合有机电解液；所述复合有机电解液由溶有锂盐的有机溶剂与离子液体均匀混合形成，所述离子液体由双三氟甲烷磺酰亚胺、三氟甲基磺酸、六氟磷酸、四氟硼酸、双氟磺酰亚胺中的一种阴离子与季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子中的一种阳离子构成；所述电解质中复合有机电解液含量为30～40wt.％，无机离子导体纳米颗粒含量为60～70wt.％。本发明通过将液相成分均匀混合在无机离子导体粉末周围，并通过范德华力和静电作用力吸附在固相颗粒表面形成固/液界面层并将固相颗粒相互粘结，形成凝胶状准固态电解质。本发明的混合方式使得在制备的复合准固态电解质中形成了固相、液相、固液界面层三种锂离子快速传导通道，使得复合准固态电解质离子电导率得到提高，优异的离子传导能力使得其作为电解质具有优异的电化学性能。此外，所述准固态电解质利用了固相与液相间的物理作用，各组分间未发生化学反应，所以可以保持各成分固有的性质，并且使得复合后的准固态电解质也具有优异的化学/电化学稳定性。

根据本发明，准固态复合电解质由无机离子导体作为离子电导主要成分并提供固相基体。离子液体具有粘性和离子导电性，既可以起到传导离子作用又可以作为粘结剂将固态电解质颗粒结合成准固态结构。但是由于高粘度离子液体会使离子电导率下降，所以在液相成分中添加低粘度含锂盐的有机电解液降低粘性并进一步提高离子电导率，有效改善准固态电解质与电极间的界面物理接触。

较佳地，所述无机离子导体纳米颗粒为石榴石型电解质、钙钛矿型电解质、钠超离子导体(NASICON)型电解质、锂超离子导体(LISICON)型电解质中的一种。