[发明专利]一种复合固态电解质膜及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种复合固态电解质膜及其制备方法与应用，属于电化学储能技术领域。该复合固态电解质膜包括有机聚合物主体、锂离子导体和纳米氮化硅粉体。所述纳米氮化硅粉末为无定形态纳米氮化硅粉末、α晶相氮化硅粉末或β晶相氮化硅粉末。本发明引入的氮化硅可以改善锂金属负极的界面化学，可以有效抑制大电流下的锂枝晶的生长情况，极大的改善电池的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，更具体地，一种复合固态电解质膜及其制备方法与应用，尤其涉及一种用于锂金属电池的复合电解质膜。

背景技术

锂离子电池是目前消费电子，电动汽车和电网储能的主要来源，这项开发技术在2019年获得了诺贝尔化学奖。由于对高能量密度的要求不断扩大，具有高理论容量(3860mAh g^-1)和低还原电位(-3.04V，与标准氢电极相比)的锂金属被认为是下一代电池的最优负极。然而，高活性锂金属与传统液体电解质的不兼容性容易使负极表面形成锂枝晶，导致电池短路或爆炸。相比于液态电解质，固体电解质可有效减少锂枝晶的生长，并且拥有工作温度范围宽，无电解质泄漏的固有优点。重点研究计划将全固态锂金属电池的研究列入其中，其中固态电解质的研究是其中的关键所在。固态聚合物电解质是固态电解质的一种，具有优良的机械柔韧性和可生产性。然而，固态聚合物电解质的商业应用仍面临一个关键挑战：锂枝晶生长导致的电池失效。

研究人员提供了一系列消除枝晶生长的策略，包括构建三维主体，优化电解质添加剂和构筑人工保护层。其中，调控或重构固态电解质(SEI) 层是一种简单有效的方法。SEI组分主要来自于循环过程中电解质被锂负极还原的产物。这些还原产物可以帮助调控锂离子动力学，使锂离子均匀的扩散穿过SEI层，优化锂离子在沉积/剥离过程中的通量分布，从而抑制枝晶成核的形成。此外，枝晶生长是由晶核周围的强电场驱动的，其强度对应于枝晶尖端上部的介电响应。因此，具有高介电常数的保护层可以有效屏蔽电势，从而有助于减缓锂离子在枝晶成核附近的定向运动，从而极大地影响高电流密度下的锂沉积行为。

发明内容

本发明开发设计了氮化硅作为添加剂的复合固态电解质，本发明引入的氮化硅可以改善锂金属负极的界面化学，可以有效抑制大电流下的锂枝晶的生长情况，极大的改善电池的倍率性能和循环性能；此外，本发明引入的氮化硅是一种热稳定性很高的无机陶瓷材料，有助于提升固态电解质的阻燃性能；由此解决聚合物电解质面临的锂枝晶生长和热稳定性差的问题。

根据本发明第一方面，提供了一种复合固态电解质膜，该复合固态电解质膜包括有机聚合物主体、锂离子导体和纳米氮化硅粉体。

优选地，所述纳米氮化硅粉末为无定形态纳米氮化硅粉末、α晶相氮化硅粉末或β晶相氮化硅粉末。

优选地，所述有机聚合物主体、锂离子导体和纳米氮化硅粉体的质量比为(50-80)：(10-40)：(1-10)。

优选地，所述有机聚合物主体为聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和聚丙烯晴中的至少一种。

优选地，所述锂离子导体为六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂中的至少一种。

优选地，所述纳米氮化硅粉末的粒径小于200nm。

根据本发明另一方面，提供了任一所述的复合固态电解质膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将有机聚合物和锂盐分散在有机溶剂中，混匀后得到混合浆料；

(2)将纳米氮化硅粉体加入到步骤(1)的混合浆料中；

(3)将步骤(2)得到的浆料倒入模具上，真空干燥后，即得到复合固态电解质膜。

优选地，所述有机聚合物、锂盐和纳米氮化硅粉体的质量比为(50-80)： (10-40)：(1-10)。