[发明专利]含乳清酸的固态聚合物电解质膜及其制备方法和其应用

说明书

本发明属于固态锂电池技术领域，涉及一种含乳清酸的固态聚合物电解质膜及其制备方法和在锂金属电池中的应用。所述固态聚合物电解质膜包括聚合物基体、导电锂盐和乳清酸。本发明通过在固态聚合物电解质中引入乳清酸，使得聚合物电解质膜与金属锂的界面相容性增加，提高锂负极的稳定性。在循环过程中乳清酸分解产生的LiN₃，存在于锂金属和电解质膜界面处，抑制锂枝晶的生长，提升界面的稳定性和离子传导性，可以显著改善Li/PEO界面。同时添加乳清酸的聚合物电解质组装的电池比容量也得到了提高。乳清酸来源丰富，价格低廉，具有较高经济效益，且本发明的含乳清酸的聚合物固态电解质制备工艺成熟，成本低廉，采用浇筑法成膜，制备简单，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于固态锂电池技术领域，涉及一种含乳清酸的固态聚合物电解质膜及其制备方法和在锂金属电池中的应用。

背景技术

锂离子电池作为储能装置的代表，具有相当多的优势，例如化学稳定性、循环寿命长和能量密度高等，因此比其他类型的电池应用更加广泛。但传统的锂离子电池存在很严重的安全问题，电池的正负极容易发生短路，从而引发电池爆炸。当前锂二次电池的电解液均采用锂盐溶于碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)等溶剂，而碳酸酯蒸气压高、遇火就燃，存在极大的安全问题。因此电解液是影响锂二次电池安全性的主要因素。与传统液态电池相比，固态电池采用固态电解质代替有机电解液，相比之下固态电解质具有以下优点：第一，不含任何液体成分，整个体系均为固体状态，不存在安全问题；第二，电池更轻，用固态电解质代替原有体系中的液态电解液和隔膜，简化结构，降低了电池的重量；第三，电池可根据实际需要任意设计形状。

固态电解质根据组分不同，可分为聚合物电解质、无机电解质、复合电解质及其他体系电解质。其中聚合物电解质为含有聚合物材料且能像液体一样导电的电解质，一般由聚合物和导电锂盐组成。常见的聚合物电解质基体包括聚氧化乙烯(PEO)基、聚丙烯腈(PAN)基、聚偏氟乙烯(PVDF)基和聚甲基丙烯酸酯(PMMA)基等，其中最具有代表性的便是聚氧化乙烯基聚合物电解质。

PEO基固态电解质的电导率较高、化学性质稳定、成膜性较好、可大规模制备，具有较大商业化潜力。在众多的金属锂盐中，人们选择导电锂盐(LiTFSI)添加到PEO中的研究较为广泛，但即便如此PEO基聚合物电解质的室温离子电导率为10^-5S cm^-1，远不如液态电解质的电导率10^-2S cm^-1到10^-3S cm^-1，因此提升PEO电解质离子电导率的研究很重要。同时在电池的循环过程中，PEO电解质会与金属锂发生不可逆的副反应，界面状态不稳定，容易产生锂枝晶，导致电池出现短路现象，从而无法获得长循环寿命的PEO基固态电池。因此，针对聚合物电解质存在的一些问题，本发明通过添加小分子类蛋白乳清酸修饰PEO，从而提高电解质的离子电导率，改善固态电解质与电极的界面稳定性，提升固态电池的容量以及循环稳定性，在改性固态聚合物电解质中有独特的优势和特点。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术问题，提供一种含乳清酸的固态聚合物电解质及其制备方法和作为固态锂金属电池材料的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种含乳清酸的固态聚合物电解质膜，所述的固态聚合物电解质膜包括聚合物基体、导电锂盐和乳清酸。

本发明中，所述乳清酸结构式为：

优选的，所述聚合物基体为聚氧化乙烯，更优选的，所述的聚氧化乙烯的分子量在50万-120万之间，更优选的，所述聚氧化乙烯的分子量选择60万。

优选的，所述的导电锂盐选自LiTFSI、LiFSI、LiClO₄、LiBOB、LiAsF₆、LiBF₄。更优选的，所述导电锂盐选择LiTFSI。