一种用于抑制锂枝晶生长的碳氮聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用技术

技术编号:18529272 阅读:329 留言:0更新日期:2018-07-25 14:14
本发明专利技术涉及一种用于抑制锂枝晶生长的碳氮聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用,该准固态电解质包括电解液、和电解液填充剂,所述电解液填充剂为轻质碳氮聚合物。本发明专利技术以轻质碳氮聚合物为电解液填充剂,制备得到一种能有效抑制锂金属电池中锂枝晶的生长的准固态电解质。其中轻质碳氮聚合物具有惊喜的分层结构,有利于电解液的吸收,从而形成泥状的准固态电解质,可用于抑制锂金属电池中锂负极枝晶的生长。

【技术实现步骤摘要】
一种用于抑制锂枝晶生长的碳氮聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用
本专利技术属于新能源
,特别涉及一种用于抑制锂枝晶生长的轻质碳氮聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用。
技术介绍
以Li-S和Li-O2为代表的锂金属电池由于比锂离子电池具有更高的能量密度而受到广泛重视。负极金属锂由于低的电压、高的理论比容量(3860mAh/g),是这类高容量转化反应电池体系的最佳候选。然而,在电化学循环过程中,锂金属在负极表面发生不均匀的沉积/剥离,导致锂枝晶生长及其带来的电池电化学性能的恶化,锂枝晶甚至可以穿透隔膜导致电池短路。近年来,多种策略被尝试用于改善锂沉积过程,抑制锂枝晶生长。如将金属锂融化渗入到具有亲锂表面的导电框架基体中,构造出体积变化小的柔性金属锂负极,这样可以消除锂枝晶。通过构建三维纳米结构的集流体,用以取代二维的载锂平面,可以改善锂金属的沉积行为,从而避免锂枝晶的生长。改变电解液的本征属性、浓度或者引入电解液添加剂也是重要的策略,如基于离子液体或者高浓度的氟磺酰亚胺根离子(FSI-)能有效保证锂金属电池高倍率、稳定的锂沉积过程,FSI-能在锂金属表面还原(主要生成LiF),原位形成稳固的固体电解液界面层(SEI),进而确保锂金属沉积过程中不会产生锂枝晶。对于Li-S电池体系,锂的多硫化物和硝酸锂的同时加入可产生协同效应,加固SEI,从而保护锂负极免受腐蚀。对于隔膜的改性(如在隔膜纤维表面上引入极性的功能基团)也能有效确保锂金属在负极的均匀沉积。相比于添加剂加强的电解液,固态或者准固态电解质具有更好的机械强度,被期望对锂枝晶有着更好的抑制作用。然而全固态电解质通常导电率不够,差的界面接触问题也难以解决。准固态电解质具有与电解液类似的电导率,以及良好的界面湿润能力,被认为是新型锂金属电池电解质的最佳候选之一。准固态电解质常常是将非水系电解液或锂盐加入聚合物骨架(如聚氧化乙烯)或者无机纳米颗粒(如纳米二氧化硅)填充物固化而成。电解质的准固态化不但不会导致电导率的显著降低,在有些情况下,由于空间电荷效应,反而可能增大其电导率。然而,传统的基于聚氧化乙烯的聚合物膜的机械强度较弱,不能有效抑制锂枝晶,常常需要添加硬质无机纳米颗粒加以改善。
技术实现思路
针对上述问题,本专利技术的目的在于提供一种高机械强度的新型聚合物基准固态电解质及其制备方法和应用。一方面,本专利技术提供了一种用于抑制锂枝晶生长的轻质碳氮聚合物基准固态电解质(用于抑制锂枝晶生长的碳氮聚合物基准固态电解质),包括电解液、和电解液填充剂,所述电解液填充剂为轻质碳氮聚合物。本专利技术以轻质碳氮聚合物为电解液填充剂,制备得到一种能有效抑制锂金属电池中锂枝晶的生长的准固态电解质。其中轻质碳氮聚合物具有惊喜的分层结构,有利于电解液的吸收,从而形成泥状的准固态电解质,可用于抑制锂金属电池中锂负极枝晶的生长。聚合物g-C3N4本身具有高的机械强度,分层结构的密堆积使机械强度进一步增强,因此作为电解液填充剂,g-C3N4能有效抑制锂枝晶的生长。当所述轻质碳氮聚合物基准固态电解质与锂金属负极接触时,该准固态电解质还具有与常规电解液同一数量级的界面阻抗,以及良好的界面附着力。而且在锂金属对称电池的长循环过程中,该准固态电解质能够极大减缓锂金属沉积/剥离过程中电压极化的增加,增强了电池的循环稳定性。较佳地,所述轻质碳氮聚合物包括自组装的三维介孔球g-C3N4、二维纳米薄层g-C3N4、氧掺杂的剥离少层O-g-C3N4、S掺杂的S-g-C3N4中的至少一种。所述轻质碳氮聚合物基准固态电解质中轻质碳氮聚合物的质量百分比为20~25wt%。较佳地,所述电解液包括溶质和溶剂,所述溶质为双三氟甲磺酰亚胺锂LiTFSI、六氟磷酸锂LiPF6、高氯酸锂LiClO4、双氟磺酰亚胺锂LiFSI中的至少一种;所述溶剂为二甘醇二甲醚DGM、三乙二醇二甲醚TEGDME、离子液体1-乙基-3甲基双三氟甲烷磺酰亚胺EmimTFSI、碳酸乙烯酯EC和二甲基碳酸酯DMC中的至少一种;所述电解液中溶质的浓度为0.5~1.5mol/L。又,较佳地,所述电解液为溶质为双三氟甲磺酰亚胺锂LiTFSI的二甘醇二甲醚DGM溶液、溶质为LiTFSI的三乙二醇二甲醚TEGDME溶液、或溶质为六氟磷酸锂LiPF6的体积比为1:1的碳酸乙烯酯EC和二甲基碳酸酯DMC溶液;所述电解液中溶质的浓度为0.5~1.5mol/L。另一方面,本专利技术提供了一种轻质碳氮聚合物基准固态电解质的制备方法,将轻质碳氮聚合物与电解液充分混合,得到所述轻质碳氮聚合物基准固态电解质。较佳地,所述轻质碳氮聚合物的粒径分布为3.5~8μm。所述轻质碳氮聚合物为纳米结构时,极易与电解液混合成泥,确保了这种准固态电解质简易的成型工艺。第三方面,本专利技术还提供了一种基于轻质碳氮聚合物基准固态电解质的锂金属对称电池体系,所述锂金属对称电池体系包括轻质碳氮聚合物基准固态电解质、以及位于轻质碳氮聚合物基准固态电解质两侧的金属锂片。当所述轻质碳氮聚合物基准固态电解质用于锂金属对称电池时,其具有良好的界面稳定性和低的界面阻抗,减小了金属锂沉积/剥离过程中的电压极化差,增强了对称电池的循环稳定性,对称电池长循环后的金属锂表面依旧平滑致密。第四方面,本专利技术还提供了一种所述锂金属电池包括正极、负极、以及位于所述正极和负极之间的轻质碳氮聚合物基准固态电解质,所述负极为金属锂片,所述正极为FeS2、碳硫复合物、LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2、富镍三元体系和富锂锰基固溶体中的至少一种。较佳地,所述正极优选为FeS2。当所述轻质碳氮聚合物基准固态电解质用于Li-FeS2锂金属电池时,其改善了锂负极的形貌,弱化了多硫化物的穿梭效应,确保了大于400次循环的电池长寿命。本专利技术具有以下积极进步效果。(1)本专利技术以轻质碳氮聚合物作为准固态电解质的电解液填充剂,证实了其作为电解液填充剂的优越性。如在球状g-C3N4的合成过程中,大量的薄层纳米片自组装聚集成均匀的介孔球,这种精细的分层结构有利于电解液的吸收,同时纳米结构的粉末极易与电解液混合成泥,确保了这种准固态电解质简易的成型工艺。(2)本专利技术中球状g-C3N4与电解液混合成的均匀泥状物能有效地附着在金属锂或电极材料表面,准固态电解质与金属锂负极的界面阻抗比纯电解液体系的界面阻抗更容易达到稳定,前者在界面处的传输阻抗可低至115Ωcm2,在30到70℃温度区间的界面处扩散活化能为0.45eV。(3)本专利技术中准固态电解质用于锂金属对称电池时,显著降低了金属锂可逆沉积/剥离过程中的极化电势差,并增强了对称电池的循环稳定性。基于准固态电解质的锂金属对称电池稳定的沉积/剥离得益于该电解质对锂枝晶生长的抑制。(4)本专利技术中轻质碳氮聚合物基准固态电解质用于Li-FeS2锂金属电池时,由于锂枝晶被抑制,从而锂负极形貌被显著改善,该准固态电解质也能弱化多硫化物的穿梭效应,因此确保了Li-FeS2电池大于400次循环的长寿命。本专利技术所述方法生产工艺简便,适合大规模应用,对锂金属电池的发展具有重要意义。附图说明图1为三维介孔球状颗粒组成的g-C3N4的XRD图;图2为三维介孔球状颗粒组成的g-C3N4的SEM图;图3为基于g-C3N4准固态本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于抑制锂枝晶生长的轻质碳氮聚合物基准固态电解质,其特征在于,包括电解液、和电解液填充剂,所述电解液填充剂为轻质碳氮聚合物。

【技术特征摘要】
1.一种用于抑制锂枝晶生长的轻质碳氮聚合物基准固态电解质,其特征在于,包括电解液、和电解液填充剂,所述电解液填充剂为轻质碳氮聚合物。2.根据权利要求1所述的轻质碳氮聚合物基准固态电解质,其特征在于,所述轻质碳氮聚合物包括自组装的三维介孔球g-C3N4、二维纳米薄层g-C3N4、氧掺杂的剥离少层O-g-C3N4、S掺杂的S-g-C3N4中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的轻质碳氮聚合物基准固态电解质,其特征在于,所述轻质碳氮聚合物基准固态电解质中轻质碳氮聚合物的质量百分比为20~25wt%。4.根据权利要求1-3中任一项所述的轻质碳氮聚合物基准固态电解质,其特征在于,所述电解液包括溶质和溶剂,所述溶质为双三氟甲磺酰亚胺锂LiTFSI、六氟磷酸锂LiPF6、高氯酸锂LiClO4、双氟磺酰亚胺锂LiFSI中的至少一种;所述溶剂为二甘醇二甲醚DGM、三乙二醇二甲醚TEGDME、离子液体1-乙基-3甲基双三氟甲烷磺酰亚胺EmimTFSI、碳酸乙烯酯EC和二甲基碳酸酯DMC中的至少一种;所述电解液中溶质的浓度为0.5~1.5mol/L。5.根据权利要求4所述的轻质碳氮聚合物基准固态电解质,其特征在于,所述电解液为溶质为...

【专利技术属性】
技术研发人员:李驰麟胡九林田靖
申请(专利权)人:中国科学院上海硅酸盐研究所
类型:发明
国别省市:上海,31

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