一种固体电解质材料、固态电池及其应用制造技术

技术编号:17782555 阅读:65 留言:0更新日期:2018-04-22 12:50
本申请公开了一种固体电解质材料、固态电池及其应用。本申请的固体电解质材料为具有微孔通孔的固体颗粒,固体颗粒的微孔中具有液态离子导体,使用时,固体颗粒与相邻固态微粒形成固‑液‑固相界面,所有固体颗粒相互接触形成网络,所有固体颗粒中的液态离子导体相连通形成金属离子快速传输通道网络。本申请的固体电解质材料,其固体颗粒具有微孔,且微孔里面填充液态离子导体,一方面,固体颗粒与相邻固态微粒之间形成固‑液‑固相界面;另一方面,固体颗粒自身相互接触,形成网络,使得固体颗粒中的液态离子导体相互连通形成金属离子快速传输通道网络;提高了金属离子的传输能力,进而提高电池动力学性能,提高电极材料负载量,提升能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种固体电解质材料、固态电池及其应用
本申请涉及固态电池领域,特别是涉及一种固体电解质材料、固态电池及其应用。
技术介绍
目前锂离子电池已经在生产、生活的多个领域得到广泛应用,但是更高的能量密度以及更好的安全性一直是人们追求的目标。传统的有机电解液液态电池具有漏液、燃烧等潜在安全因素,并且无法抑制锂枝晶的产生,使得锂金属不能作为负极直接使用,限制了电池能量密度的提升。固态电池技术是将液态电解液替换为不挥发、不易燃的固态离子导体,即固体电解质,可以大幅提升电池的安全性。同时,固体电解质具有一定的刚性,可以抑制锂枝晶的生长,使得锂金属可以作为负极直接使用,进而提高电池的能量密度。所以,固态电池有望成为高安全性、高能量密度的下一代电池。但是,由于固体电解质颗粒间的固-固接触界面锂离子传输性能较差,导致界面电阻较大,不利于电池的动力学性能,限制了电极材料的负载量,阻碍了能量密度的提升。所以,固态电池技术的关键在于改善固体电解质材料的界面离子传输动力学。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种新的固体电解质材料,采用该固体电解质材料的固态电池,及其应用。本申请采用了以下技术方案:本申请的一方面公开了一种固体电解质材料,该固体电解质材料为具有微孔通孔的固体颗粒,固体颗粒的微孔中具有液态离子导体,使用时固体颗粒与其相邻的固态微粒之间形成固-液-固相界面,并且所有固体颗粒相互接触形成网络,所有固体颗粒中的液态离子导体相互连通形成金属离子快速传输通道网络。其中,与固体颗粒相邻的固态微粒可以是其它的固体颗粒,也可以是正极材料或负极材料。固-液-固相界面包括两个方面,第一,在固体颗粒于相邻的固态微粒的接触点或接触面周围的微小缝隙间形成固-液-固相界面;第二,在固体颗粒于相邻的固态微粒的接触点或接触面上,从纳米层面来看,接触点或接触面本身不可能是毫无缝隙的完全接触,因此,液态离子导体渗透到其微纳米的坑道或缝隙中形成固-液-固相界面。需要说明的是,本申请固体电解质材料,其具体材料可以参考现有的固体电解质,本申请的关键在于,采用具有微孔通孔的固体颗粒,并在固体颗粒的微孔中填充液态离子导体,液态离子导体通过毛细作用填充在微孔中。本申请的固体颗粒,其表面和内部具有很多相互连通的微孔,因此,相邻固体颗粒的接触面上也具有微孔,并且,在相邻的固体颗粒的接触面上,在液体的表面张力作用下,液态离子导体会自动连成一体,在两个相邻的固体颗粒接触面形成固-液-固相界面。固体电解质材料的所有固体颗粒的液体离子导体连通形成导金属离子的网络,即形成金属离子快速传输通道的网络,从而有效的减低了固-固界面的界面电阻,使得离子传输更加通畅,进而提高电池动力学性能,提高电极材料负载量,提升能量密度。可以理解,固体电解质材料本身具有一定钢性,因此,液态离子导体并不会被挤出。填充在微孔中的液态离子导体,只要能够用于离子传输都可以用于本申请,例如常规的电解液等,在此不做具体限定。为了保障效果,本申请的固体电解质材料,优选采用本身稳定性好,不易挥发,且不易蒸发的液体材料。优选的,固体颗粒的粒径为10nm-50μm,微孔大小为0.5nm-1μm,固体颗粒为介孔二氧化硅材料、介孔金属氧化物材料、金属-有机框架材料中的至少一种。优选的,介孔二氧化硅材料选自MCM-41、SBA-15、SBA-2、SBA-12、IBN-9、FDU-5、KIT-5、SBA-1、SBA-6、SBA-16、FDU-1、FDU-2、FDU-12、KIT-5、SBA-11、AMS-8、AMS-10、HMS、MSU、KIT-1和TUD-1中的至少一种;介孔金属氧化物材料选自介孔氧化铝、介孔氧化锆和介孔氧化钛中的至少一种;金属-有机框架材料选自均苯三甲酸锆、联苯二甲酸锆、对苯二甲酸锆、5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉锆、2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸锆、均苯三甲酸铜、均苯三甲酸铬、均苯三甲酸铁、对苯二甲酸铁、对苯二甲酸锌和对苯二甲酸铬中的至少一种。优选的,液态离子导体的离子电导率为10-5-10S/cm;液态离子导体包括溶解有金属盐的离子液体或溶解有金属盐的溶剂。优选的,溶解有金属盐的离子液体中,金属盐的阳离子选自Li+、Na+、K+、Mg+、Ca2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+和Al3+中的至少一种,金属盐的阴离子选自Cl-、[PF6]-、[BF4]-、[ClO4]-、[AsF6]-、[CF3SO3]-和[N(CF3SO2)2]-中的至少一种;离子液体的阳离子选自[EtMeIm]+、[BuMeIm]+、[EtMeMeIm]+、[PrMeIm]+、[PrMeMeIm]+、[nPrMePy]+、[nBuMePy]+、[nMe3BuN]+、[nPrMe3N]+、[Me3(CH3OCH2)N]+、[Et3S]+和[nBu3S]+中的至少一种,离子液体的阴离子选自Cl-、Br-、I-、[BF4]-、[CF3SO3]-、[N(CF3SO2)2]-、[AlCl4]-、[Al2Cl7]-、[PF6]-和[AsF6]-中的至少一种,其中,Me表示甲基、Et表示乙基、Pr表示丙基、Bu表示丁基、Im表示咪唑、Py表示吡啶;溶解有金属盐的溶剂中,溶剂选自水、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲基乙基酯、丙烯酸乙酯、丙二醇甲醚醋酸酯、1,3-二氧戊环和乙二醇二甲醚中的至少一种,金属盐参考溶解有金属盐的离子液体中的金属盐。本申请的另一面公开了本申请的固体电解质材料在固态电池中的应用。本申请的再一面公开了一种固态电池,固态电池包括正极、隔层和负极,其中,正极、隔层和负极的至少一个中含有本申请的固体电解质材料。需要说明的是,本申请利用固体电解质材料的固体颗粒形成液态离子导体网络,使其具有良好的离子传输性能,因此,固体电解质材料不仅可以制备隔层,而且也可以添加到正极或负极中,以方便离子的脱嵌和传输,从而起到改善固态电池动力学性能的效果。至于固体电解质材料在正极或负极中的添加量,根据具体的电池设计和使用需求而定,在此不做限定。本申请的一种实现方式中,正极中含有正极活性材料、导电剂和本申请的固体电解质材料;在正极中,固体电解质材料的固体颗粒与正极活性材料的固态微粒之间形成固-液-固相界面,并且,固体电解质材料的所有固体颗粒相互接触形成网络,所有固体颗粒中的液态离子导体相互连通形成金属离子快速传输通道网络。这种形式的固态电池,其正极中存在两套网络,即导电剂形成的电子传输网络,和固体电解质材料的固体颗粒形成的金属离子快速传输通道网络;正极活性材料分散在两套网络中,同时与两套网络接触,实现电子和金属离子的快速传输。本申请的一种实现方式中,隔层为以下四种中的一种:(1)由本申请的固体电解质材料制备的隔层,隔层中所有固体颗粒中的液态离子导体相互连通形成金属离子快速传输通道网络;(2)无机固体电解质材料制备的隔层或有机聚合物固体电解质材料制备的隔层;(3)第(1)种隔层和第(2)种隔层形成的双层或多层隔层;(4)无机固体电解质材料或有机聚合物固体电解质材料,与本申请的固体电解质材料,的混合物制备的隔层,隔层中,固体电解质材料的固体颗粒与相邻的无机固体电解质材料或有机聚合物固体电解质材料之间形成固-液-固相界面,本文档来自技高网...
一种固体电解质材料、固态电池及其应用

【技术保护点】
一种固体电解质材料,其特征在于:所述固体电解质材料为具有微孔通孔的固体颗粒,所述固体颗粒的微孔中具有液态离子导体,使用时,固体颗粒与其相邻的固态微粒之间形成固‑液‑固相界面,并且所有固体颗粒相互接触形成网络,所有固体颗粒中的液态离子导体相互连通形成金属离子快速传输通道网络。

【技术特征摘要】
1.一种固体电解质材料,其特征在于:所述固体电解质材料为具有微孔通孔的固体颗粒,所述固体颗粒的微孔中具有液态离子导体,使用时,固体颗粒与其相邻的固态微粒之间形成固-液-固相界面,并且所有固体颗粒相互接触形成网络,所有固体颗粒中的液态离子导体相互连通形成金属离子快速传输通道网络。2.根据权利要求1所述的固体电解质材料,其特征在于:所述固体颗粒的粒径为10nm-50μm,微孔大小为0.5nm-1μm;所述固体颗粒为介孔二氧化硅材料、介孔金属氧化物材料、金属-有机框架材料中的至少一种;所述液态离子导体的离子电导率为10-5-10S/cm,液态离子导体为溶解有金属盐的离子液体或溶解有金属盐的溶剂。3.根据权利要求2所述的固体电解质材料,其特征在于:所述介孔二氧化硅材料选自MCM-41、SBA-15、SBA-2、SBA-12、IBN-9、FDU-5、KIT-5、SBA-1、SBA-6、SBA-16、FDU-1、FDU-2、FDU-12、KIT-5、SBA-11、AMS-8、AMS-10、HMS、MSU、KIT-1和TUD-1中的至少一种;所述介孔金属氧化物材料选自介孔氧化铝、介孔氧化锆和介孔氧化钛中的至少一种;所述金属-有机框架材料选自均苯三甲酸锆、联苯二甲酸锆、对苯二甲酸锆、5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉锆、2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸锆、均苯三甲酸铜、均苯三甲酸铬、均苯三甲酸铁、对苯二甲酸铁、对苯二甲酸锌和对苯二甲酸铬中的至少一种;所述溶解有金属盐的离子液体中,金属盐的阳离子选自Li+、Na+、K+、Mg+、Ca2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+和Al3+中的至少一种,金属盐的阴离子选自Cl-、[PF6]-、[BF4]-、[ClO4]-、[AsF6]-、[CF3SO3]-和[N(CF3SO2)2]-中的至少一种;所述溶解有金属盐的离子液体中,离子液体的阳离子选自[EtMeIm]+、[BuMeIm]+、[EtMeMeIm]+、[PrMeIm]+、[PrMeMeIm]+、[nPrMePy]+、[nBuMePy]+、[nMe3BuN]+、[nPrMe3N]+、[Me3(CH3OCH2)N]+、[Et3S]+和[nBu3S]+中的至少一种,离子液体的阴离子选自Cl-、Br-、I-、[BF4]-、[CF3SO3]-、[N(CF3SO2)2]-、[AlCl4]-、[Al2Cl7]-、[PF6]-和[AsF6]-中的至少一种,其中,Me表示甲基、Et表示乙基、Pr表示丙基、Bu表示丁基、Im表示咪唑、Py表示吡啶;所述溶解有金属盐的溶剂中,溶剂选自水、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲基乙基酯、丙烯酸乙酯、丙二醇甲醚醋酸酯、1,3-二氧戊环和乙二醇二甲醚中的至少一种。4.一种固态电池,包括正极、隔层和负极,其特征在于:所述正极、隔层和负极的至少一个中含有权利要求1-3任一项所述的固体电解质材料。5.根据权利要求4所述的固态电池,其特征在于:所述正极中含有正极活性材料、导电剂和权利要求1-3任一项所述的固体电解质材料;所述固体电解质材料的固体颗粒与所述正极活性材料的固态微粒之间形成固-液-固相界面,并且,固体电解质材料的所有固体颗粒相互接触形成网络,所有固体颗粒中的液态离子导体相互连通形成金属...

【专利技术属性】
技术研发人员:潘锋王子奇杨卢奕
申请(专利权)人:北京大学深圳研究生院
类型:发明
国别省市:广东,44

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1