[发明专利]一种宽温域固体电解质、固态锂电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宽温域固体电解质、固态锂电池及其制备方法，属于固态电池制备技术领域，方法将聚丙烯腈、锆基金属有机框架均匀分散在有机溶剂中，静电纺丝得到链状分子结构的聚丙烯腈‑锆基金属有机框架纳米纤维膜；将锂盐、聚合物单体、离子液体、引发剂均匀混合后得到前驱体溶液；聚合物单体为按照丙烯酸酯类聚合物单体：碳酸酯类聚合物单体＝0～0.1的摩尔比混合得到；离子液体为咪唑类离子液体、吡咯类离子液体中的一种或两种；将前驱体溶液滴加到聚丙烯腈‑锆基金属有机框架纳米纤维膜上，在加热条件下引发聚合得到具有三维导离子通道的宽温域固体电解质。本发明解决了现有聚合物电解质在高温(100℃)下热稳定性和机械强度不足的技术问题。

技术领域

本发明属于固态电池制备技术领域，更具体地，涉及一种宽温域固体电解质、固态锂电池及其制备方法。

背景技术

随着便携式电子产品和电动汽车对能源需求的不断增加，促使科研工作者开发出更高能量密度、更安全的锂电池。锂金属负极具有较高的理论比容量(3800mAh g^-1)和较低的电极电位(相对于标准氢电极为–3.04V)，这使得锂金属电池被视为最有前途的高能量密度电池系统之一。然而，锂金属电池中常用的液体电解质导致不可控的锂枝晶生长、不充分的电化学和热稳定性以及高可燃性，限制其进一步发展。使用高稳定性和安全性的固体电解质替代传统有机液体电解质可以更好地兼容金属锂负极和高电压正极材料，同时可以有效地抑制锂枝晶的生长，实现高能量密度、高安全性的固态锂电池。

常用的固体电解质可分为两类:无机固体电解质和固体聚合物电解质。其中，无机陶瓷固体电解质具有高的室温离子电导率和优异的热稳定性，但差的界面相容性和脆性使其实用化面临严峻挑战。相比之下，聚合物固体电解质具有良好的界面相容性和可加工性。但在高温下(100℃下),热稳定性和机械强度的不足使它们难以满足高安全性和高性能锂金属电池的要求。

因此，迫切需要设计一种满足高温下热稳定性和机械强度要求的，适用于宽温域的固体聚合物电解质。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种宽温域固体电解质、固态锂电池及其制备方法，其目的在于，制备工作环境温度为30-150℃的宽温域固体电解质、固态锂电池，由此解决现有聚合物电解质在高温(100℃)下热稳定性和机械强度不足导致其难以正常工作的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了以下技术方案：

一种宽温域固体电解质的制备方法，包括以下步骤：

(S1)将聚丙烯腈、锆基金属有机框架均匀分散在有机溶剂中，静电纺丝得到链状分子结构的聚丙烯腈-锆基金属有机框架纳米纤维膜；

(S2)将锂盐、聚合物单体、离子液体、引发剂均匀混合后得到前驱体溶液；所述聚合物单体为按照丙烯酸酯类聚合物单体：碳酸酯类聚合物单体＝0～0.1的摩尔比混合得到；所述离子液体为咪唑类离子液体、吡咯类离子液体中的一种或两种；

(S3)将所述前驱体溶液滴加到所述聚丙烯腈-锆基金属有机框架纳米纤维膜上，在加热条件下引发聚合得到具有三维导离子通道的宽温域固体电解质。

优选地，所述锂盐为二氟草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟二草酸磷酸锂中的一种或多种；

所述丙烯酸酯类聚合物单体为丙烯酸丁酯、乙二醇甲醚丙烯酸酯、聚乙二醇甲醚丙烯酸酯、三甘醇二丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯的一种或多种；所述碳酸酯类聚合物单体为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯和碳酸三亚甲基酯中的一种或多种；

所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰基)亚胺中的一种或两种。

优选地，步骤(S1)中，所述聚丙烯腈与所述锆基金属有机框架的质量比为(1-10)：(1-10)。