[发明专利]一种超薄弹性固态电解质膜及制备方法

说明书

本发明公开了一种超薄弹性固态电解质膜及制备方法，该固态电解质膜包括聚离子液体包覆的无机固态电解质、聚合物基质和锂盐；所述聚离子液体包覆的无机固态电解质占固态电解质膜质量的10～80％；聚合物基质和锂盐的质量比为5:1～1:1；所述聚离子液体包覆的无机固态电解质中，聚离子液体占无机固态电解质质量的0.5‑1％；聚离子液体单体中，阳离子为4‑丁基乙烯基咪唑，阴离子为双三氟甲基磺酸亚酰胺离子、溴离子、六氟磷酸根离子中的任意一种；所述的无机固态电解质是为Lisubgt;3/subgt;Zrsubgt;2/subgt;Sisubgt;2/subgt;POsubgt;12/subgt;；所述的聚合物基质包括PVDF、PVDF‑HFP中的任意一种；所述的锂盐的阴离子与聚离子液体单体的阴离子一致。本发明制备的超薄固态电解质膜厚度在7～15μm左右，轻质均匀，具有优异的弹性强度和稳定性，可大规模制备。

技术领域

本发明属于固态电解质制备技术领域，具体涉及一种超薄弹性固态电解质膜及制备方法。

背景技术

数十年来，锂离子电池的迅速发展使其在储能领域占据主导地位。然而，市场对高能量密度和安全可靠性提出了更多的挑战和要求。液态有机电解液中不稳定的固态电解质界面以及锂枝晶的生长带来低的库仑效率和安全问题。

固态电池被视为最终解决方案之一。性能优异的固态电解质可以匹配高压正极和锂金属负极，对于开发高能量密度和安全的固态锂金属电池(LMB)具有重要意义。

目前所报道的固态聚合物电解质包括聚乙烯(PEO)基、聚丙烯腈(PAN)基、聚碳酸丙烯酯(PPC)基和聚偏氟乙烯(PVDF)基。与其他聚合物相比，PVDF基电解质具有机械强度高、热稳定性好等优点，但由于制备过程一般使用溶剂DMF，难以完全烘干，存在残留溶剂而面临许多问题。例如，DMF与Li盐之间存在强相互作用，形成[Li(DMF)_x]⁺溶剂化分子，这些分子通过PVDF链传输，可以实现固态电解质膜的高离子导电性。然而，DMF的存在导致电解质的电化学窗口变窄，并在高电位下持续分解，同时DMF还会与金属锂发生严重的副反应。另一方面，为了抵御锂枝晶，提高PVDF基电解质/锂金属界面的稳定性，通常在电解质膜中加入一些活性填料包括LATP等可以提高PVDF电解质的机械性能和对锂稳定性。但是，这些无机固态电解质填料容易导致PVDF聚合物持续脱氟，这会降低复合电解质的离子电导率，同时增加活性填料和PVDF之间的界面电阻。尤其是，当无机电解质含量较高，如超过50wt％时，固态电解质浆料难以分散，导致膜厚不均等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的超薄弹性固态电解质膜，以克服传统PVDF基固态电解质膜厚度不均、无法抵御锂枝晶、电化学性能不稳定等问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种超薄弹性固态电解质膜，包括：聚离子液体包覆的无机固态电解质、聚合物基质和锂盐；其中，所述聚离子液体包覆的无机固态电解质占固态电解质膜质量的10～80％；聚合物基质和锂盐的质量比为5:1～1:1；所述聚离子液体包覆的无机固态电解质中，聚离子液体占无机固态电解质质量的0.5-1％；所述的聚离子液体的单体中，阳离子为4-丁基乙烯基咪唑，阴离子为双三氟甲基磺酸亚酰胺、溴离子、六氟磷酸根中的任意一种；所述的无机固态电解质是为Li₃Zr₂Si₂PO₁₂；所述的聚合物基质包括PVDF、PVDF-HFP中的任意一种；所述的锂盐的阴离子与聚离子液体单体的阴离子一致。

可选地，所述聚离子液体包覆的无机固态电解质占固态电解质膜质量的60～80％。

可选地，所述固态电解质膜的膜厚为7～15μm。

可选地，所述固态电解质膜的弹性伸长率≥300％。