一种稳定锂金属负极的固态电解质的制备方法技术

一种稳定锂金属负极的固态电解质的制备方法，包括如下步骤：(1)将无机小分子用研钵研磨成粉末，手套箱保存；所述的无机小分子选自LiF、LiOH、Li2S、LiCl、LiBr、LiI、Li2O、Li2CO3、LiNO3中的一种或多种；(2)将聚合物基体、锂盐和无机小分子粉末按一定的比例溶解于无水乙腈中，室温搅拌得均匀溶液；所述无机小分子颗粒的质量用量为聚合物基体和锂盐总质量的1‑20％；将步骤(2)所得的均匀溶液挥发使其完全干燥，得到固态电解质。本发明专利技术所述制备方法工艺简单可行，成本低，适合大规模生产，所制得的固体电解质可以有效抑制锂枝晶的生长，提高电池的库伦效率和循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种稳定锂金属负极的固态电解质的制备方法(一)
本专利技术属于固态锂离子电池
，涉及一种稳定锂金属负极的固态电解质的制备方法。(二)
技术介绍
锂金属由于其高理论容量(3860mAhg-1)和低的还原电位(-3.04V)被认为是非常有前景的负极材料，但是锂负极存在着枝晶生长和不均匀沉积等问题，使得其实际应用受到限制。在循环过程中，锂枝晶的生长会破坏锂表面SEI膜，重复的破裂和生长SEI会不断的消耗新鲜的锂和电解液，造成低的库伦效率、高的极化电压以及差的循环寿命。更进一步，锂枝晶会刺穿隔膜，导致电池的失效。针对上述技术问题，在电解液中添加一些可以调控SEI组分的材料是有效的解决方法，可以形成均匀的SEI，可以调控锂的沉积行为，有效抑制枝晶。但考虑到电解液的易燃、挥发等问题，可采用固态电解质代替液态电解液。固态电解质可以随意的弯曲，折叠，适合大规模软包电池和柔性电池的应用；而且对环境友好，成本低。常规固态电解质对于抑制锂枝晶已经发挥了巨大的作用。但由于其自身机械性能和组分的影响，还有很大的提升空间。制备复合固态电解质以进一步降低极化，提升循环性能至关重要。(三)
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种工艺简单可行，成本低，适合大规模生产的稳定锂金属负极的固态电解质的制备方法，以有效抑制锂枝晶的生长，提高电池的库伦效率和循环性能以及倍率性能。下面具体说明本专利技术的技术方案。本专利技术提供了一种稳定锂金属负极的固态电解质的制备方法，包括如下步骤：(1)将无机小分子用研钵研磨成粉末，手套箱保存；所述的无机小分子选自LiF、LiOH、Li2S、LiCl、LiBr、LiI、Li2O、Li2CO3、LiNO3中的一种或多种；(2)将聚合物基体、锂盐和无机小分子粉末按一定的比例溶解于无水乙腈中，室温搅拌得均匀溶液；所述无机小分子颗粒的质量用量为聚合物基体和锂盐总质量的1-20％；(3)将步骤(2)所得的均匀溶液挥发使其完全干燥，得到固态电解质。本专利技术制备过程中，需控制锂盐使用环境中水和氧气含量小于10ppm。本专利技术步骤(1)中，优选的无机小分子是LiF、LiOH、Li2S中的一种或几种。本专利技术步骤(2)中，所述的聚合物基体优选聚氧化乙烯(PEO)，所述的锂盐是双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)或双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)。所述聚氧化乙烯与锂盐的质量比是EO:Li+＝10-20:1，优选为15:1。优选的无机小分子的质量用量是聚合物基体和锂盐总质量的5-10％。本专利技术步骤(2)中，所述的聚合物PEO、锂盐、无机小分子颗粒在使用前需分别进行干燥，优选在50℃、120℃、80℃干燥24h，得到干燥的聚合物基体、锂盐和无机小分子颗粒。本专利技术步骤(2)中，室温搅拌的时间是24-48h，优选24h。本专利技术步骤(3)中，溶液首先在室温挥发2-12h(优选6h)，再置于50-60℃(优选50℃)加热台上挥发12-24h(优选12h)。本专利技术步骤(3)中，本领域技术人员可以根据实际需要控制固态聚合物电解质的厚度。本专利技术提供的稳定锂金属负极的固态电解质可用于全固态锂金属电池。本专利技术的原理是：固态电解质首先可以改变锂的沉积行为，使锂负极难长枝晶；其次，无机小分子的加入可以调控锂表面SEI的组分，使无机LiF、LiOH、Li2S、Li2S2等组分的含量增加，使SEI的机械性能更强，从而抑制枝晶。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术采用添加策略，整个工艺简单可行，成本低，适合大规模的产业化。原料毒性低，安全环保。(2)本专利技术所提供的复合固态电解质可以有效的抑制锂枝晶的生长，提高电池的库伦效率和循环性能以及倍率性能。(四)附图说明图1是本专利技术实施例1制备的PEO-Li-Li2S固态电解质膜的光学形态。图2是本专利技术对比例1制备的PEO-Li固态电解质用于锂对称循环测试的性能，电流密度:0.1mAcm-1,容量:0.1mAhcm-1。图3是本专利技术实施例1制备的PEO-Li-Li2S固态电解质用于锂对称循环测试的性能,电流密度:0.1mAcm-1,容量:0.1mAhcm-1。图4是本专利技术实施例2制备的PEO-Li-LiF固态电解质用于锂对称循环测试的性能,电流密度:0.1mAcm-1,容量:0.1mAhcm-1。图5是本专利技术对比例2和实施例2制备PEO-Li和PEO-Li-LiF固态电解质为基础的固态锂金属电池的倍率性能，充放电电压范围2.5-3.8V,正极LiFePO4,电流密度：0.2,0.4,0.8,1.0,2.0C(1.0C＝174mAhg-1)。图6是本专利技术实施例3制备的PEO-Li-LiOH固态电解质用于锂对称循环测试的性能,电流密度:0.1mAcm-1,容量:0.1mAhcm-1。图7是本专利技术对比例3和实施例3制备的PEO-Li和PEO-Li-LiOH固态电解质用于锂对称循环测试500h前后的SEM图。(a)循环前锂表面，(b)循环后锂表面(PEO-Li电解质)，(c)循环后锂表面(PEO-Li-LiOH电解质)。图8是本专利技术对比例3和实施例3制备PEO-Li和PEO-Li-LiOH固态电解质为基础的固态锂金属电池的倍率性能，充放电电压范围2.5-3.8V,正极LiFePO4,电流密度：0.2,0.4,0.8,1.0,2.0C(1.0C＝174mAhg-1)。图9是本专利技术实施例4制备的PEO-Li-Li2CO3固态电解质用于锂对称循环测试的性能,电流密度:0.1mAcm-1,容量:0.1mAhcm-1。(五)具体实施方法下面以具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于此。实施例1将Li2S粉末、聚合物基体PEO、锂盐LiClO4分别置于80℃、50℃、120℃干燥24h。然后PEO和LiClO4按EO:Li+＝15:1溶于无水乙腈中，按PEO和LiClO4总质量的10wt％加入Li2S粉末，室温搅拌24h，形成均匀溶液。室温挥发6h，再置于50℃加热台挥发12h，得到均匀的电解质膜(PEO-Li-Li2S电解质)。对比例1不添加Li2S粉末，其他同实施例1，得到纯的固态电解质(PEO-Li电解质)。将电解质裁成19mm的小圆片，附图1是PEO-Li-Li2S电解质膜的光学形态，可见电解质膜的柔韧性较好，可以随意弯曲。用实施例1和对比例1所制得的固态电解质膜(PEO-Li-Li2S，PEO-Li电解质)组装成锂对称电池进行测试，其中电解质膜两边是大小相同的锂片。在50℃下进行测试，Li/PEO-Li/Li电池的极化电压大约100mV，电池在前300h稳定循环，300h后电压急剧变小，电池开始恶化，如附图2。而Li/PEO-Li-Li2S/Li电池的极化电压大约50mV，电池可以稳定循环1000h，如附图3。可见Li2S可以提高锂对称循环的稳定性，说明PEO-Li-Li2S电解质是一种可以稳定锂金属负极的电解质。实施例2将LiF粉末、聚合物基体PEO、锂盐LiTFSI分别置于80℃、50℃、120℃干燥24h。然后PEO和LiTFSI按EO:Li+＝15:1溶于无水乙腈中，按PEO和LiTFSI总质量的10wt％加入LiF粉末，室温搅拌24h，形成均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稳定锂金属负极的固态电解质的制备方法，包括如下步骤：(1)将无机小分子用研钵研磨成粉末，手套箱保存；所述的无机小分子选自LiF、LiOH、Li2S、LiCl、LiBr、LiI、Li2O、Li2CO3、LiNO3中的一种或多种；(2)将聚合物基体、锂盐和无机小分子粉末按一定的比例溶解于无水乙腈中，室温搅拌得均匀溶液；所述无机小分子颗粒的质量用量为聚合物基体和锂盐总质量的1‑20％；(3)将步骤(2)所得的均匀溶液挥发使其完全干燥，得到固态电解质。

【技术特征摘要】
1.一种稳定锂金属负极的固态电解质的制备方法，包括如下步骤：(1)将无机小分子用研钵研磨成粉末，手套箱保存；所述的无机小分子选自LiF、LiOH、Li2S、LiCl、LiBr、LiI、Li2O、Li2CO3、LiNO3中的一种或多种；(2)将聚合物基体、锂盐和无机小分子粉末按一定的比例溶解于无水乙腈中，室温搅拌得均匀溶液；所述无机小分子颗粒的质量用量为聚合物基体和锂盐总质量的1-20％；(3)将步骤(2)所得的均匀溶液挥发使其完全干燥，得到固态电解质。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在制备过程中，控制锂盐使用环境中水和氧气含量均小于10ppm。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的无机小分子是LiF、LiOH、Li2S中的一种或几种。4.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶新永，盛欧微，金成滨，陈媚，居治金，罗剑敏，袁华栋，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33