[发明专利]一种复合聚合物凝胶固态电解质、其制备方法及锂金属电池应用

说明书

本发明公开一种复合凝胶聚合物电解质、其制备方法及在锂金属电池中的应用。制备方法包括以下步骤：通过法合成纳米硅球，随后通过硅烷偶联剂引入双键，加入高分子单体，通过沉淀共蒸馏法使高分子聚合在硅球表面形成核‑壳微球，最后将硅球刻蚀得到高分子微囊。以高分子微囊为填料，加入到高分子基质中得到复合聚合物薄膜，最后将其置于不同电解液中凝胶化，得到复合凝胶聚合物电解质。高分子微囊和聚偏氟乙烯‑六氟丙烯有良好的相融性，避免高分子微囊在薄膜内团聚，解决聚偏氟乙烯‑六氟丙烯结晶性的极大降低问题。本发明复合凝胶聚合物电解质具有致密、均匀特性，能够促进锂离子在锂负极均匀沉积，电解质与锂金属电池匹配得到良好的电池性能。

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种复合凝胶聚合物固态电解质、其制备方法及锂金属电池。

背景技术

金属锂负极以极高的容量( 3860 mAh g^-1)和最负的电势(-3.040 V vs标准氢电极)而被称为二次锂电池“圣杯”电极。以金属锂为负极的金属锂电池是极具前景的高比能电池。随着先进便携式电子产品、电动汽车等领域对电池能量密度要求的日益提高，开发基于金属锂负极的高比能二次电池已成为近年来化学电源领域的研究热点，金属锂负极因此而重新受到特别关注。

然而，使用金属锂产生的锂枝晶问题会缩短电池使用寿命并且存在巨大的安全问题。首先，由于金属锂表面的电流分布不均与，导致锂离子在锂金属负极表面的溶解-沉积不均匀，导致锂离子在锂金属表面的沉积和溶解不均匀，导致锂枝晶的产生，这会加剧锂的溶解-沉积的不均匀性。因此，在锂金属表面构建均匀致密的固态电解质层，有效调控锂离子的均匀分布，抑制锂枝晶，是一项极具挑战的工作。另外，锂金属和有机电解质不断发生副反应造成锂金属粉化，导致锂金属电池库伦效率降低，稳定性变差。由此可见必须有效解决上述问题，才能实现锂金属电池具有良好的循环稳定性和安全性能。

目前，在固态电解质中，聚合物凝胶固态电解质具有较高的离子电导率和锂金属有良好的界面接触性，可应用于锂金属电池。然而聚合物的结晶性导致离子电导率有限、锂离子沉积不均匀。尽管在聚合物中加入纳米无机填料形成复合凝胶聚合物固态电解质可以在一定程度上降低聚合物的结晶性，提高离子电导率和促进锂离子均匀沉积，然而无机纳米填料高的内聚能和有机-无机界面弱的相互作用，使得填料不可避免发生团聚；另外无机填料离子电导率有限，甚至阻碍锂离子传递。上述问题极大的限制了锂金属电池的工业化进程。

为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复合聚合物凝胶固态电解质、其制备方法及锂金属电池应用，其充分结合凝胶聚合物电解质的特点和需求，针对性对凝胶聚合物固态电解质膜结构设计，用于解决现有技术中锂金属电池中锂离子在锂金属负极沉积不均匀的问题。

本发明所述复合凝胶聚合物电解质具有致密、均匀特性，能够促进锂离子在锂负极均匀沉积，所述电解质与锂金属电池匹配得到良好的电池性能。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明第一方面提供一种复合聚合物凝胶固态电解质，其包括高分子微囊、高分子聚合物和有机电解液；

所述高分子微囊为囊腔直径为50~500 nm，囊壁厚度为15~150nm的微囊结构；复合聚合物凝胶固态电解质的致密、均匀性好。

本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述的复合凝胶聚合物固体电解质的制备方法，包括以下步骤：

（1）通过Stöber法制备纳米硅球，并向所述纳米硅球中加入硅烷偶联剂，得到带有双键的硅球；

（2）向所述带有双键的硅球中加入高分子单体，通过沉淀共蒸馏法使高分子单体聚合在所述带有双键的硅球上，得到核-壳微球；

（3）将所述核-壳微球刻蚀得到高分子微囊；