一种三明治结构杂化电解质及其制备方法和应用、固态锂电池技术

本发明专利技术属于电池技术领域，特别涉及一种三明治结构杂化电解质及其制备方法和应用、固态锂电池。本发明专利技术提供的三明治结构杂化电解质，包括含有电解液的PIC型固态电解质芯层和设置在所述含有电解液的PIC型固态电解质两侧的含有锂盐电解液的隔膜。本发明专利技术提供的三明治结构杂化电解质采用PIC型电解质为基体，有效提高了电解质力学强度；同时，三明治结构杂化电解质整体添加有锂盐电解液，有利于提高电解质的离子电导率；此外，因三明治结构杂化电解质拥有柔软的隔膜外层结构，有利于降低三明治结构杂化电解质与电极的界面电阻。

【技术实现步骤摘要】
一种三明治结构杂化电解质及其制备方法和应用、固态锂电池
本专利技术属于电池
，特别涉及一种三明治结构杂化电解质及其制备方法和应用、固态锂电池。
技术介绍
在传统的有机电解液体系循环过程中，若以金属锂为电池负极，锂枝晶会疯狂地生长，甚至锂枝晶能够刺穿传统锂离子电池中的电解液隔膜，造成正负极直接接触，形成电池短路，甚至导致电池起火爆炸。此外，在电解液与电极界面间会形成力学强度差的固体电解质界面层，这些界面层在电池循环过程中经历连续的形成和溶解，会导致库仑效率低(使用醚类溶剂的电解液库仑效率为90％～95％，使用碳酸盐类溶剂的电解液库仑效率为80％～90％)，循环寿命差。使用固态电解质代替液态电解液，有利于避免锂枝晶的不可控生长，并且避免电解液与电极界面间的固态电解质界面层的形成。但目前的固态电解质无法兼顾高离子电导率、高力学强度和低的电解质与电极界面电阻的要求(如KarthikK.MuruganR.FlexiblehighLi+conductivelithiumgarnetbaseddrysolidpolymerelectrolytemembranewithenhancedelectrochemicalperformanceforlithiummetalbatteries[J].Ionics,2019,25(10):4703–4711.)，不能满足固态锂电池对固态电解质的电导率、力学强度和界面电阻的要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种三明治结构杂化电解质，本专利技术提供的三明治结构杂化电解质具有离子电导率高、力学强度高、电解质界面电阻低的特点。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种三明治结构杂化电解质，包括含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层和设置在所述含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层两侧的含有锂盐电解液的隔膜。优选的，所述含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层包括PIC型固态电解质和锂盐电解液；所述PIC型固态电解质包括聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、第一锂盐和陶瓷微粒；所述第一锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂；所述陶瓷微粒的材质为Li7La3Zr2O12或Li7La3Zr2O12的掺杂物；所述Li7La3Zr2O12的掺杂物包括Li7La3Zr2O12和掺杂元素，所述掺杂元素包括Ga、Bi、Rb、W、Ta、Cr、Al、Mo、Te、Ca、Ba、Sb、Nb、Si、In和Ge中的一种或多种。优选的，所述聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、第一锂盐和陶瓷微粒的质量比为7：3：2：(60～120)。优选的，所述锂盐电解液包括第二锂盐和质子惰性溶剂；所述第二锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂；所述质子惰性溶剂为四甘醇二甲醚。优选的，所述锂盐电解液中第二锂盐的浓度为1mol/L。优选的，所述含锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层和含有锂盐电解液的隔膜的厚度比为(3.5～10)：1。本专利技术还提供了上述技术方案所述三明治结构杂化电解质的制备方法，包括以下步骤：将PIC型固态电解质原料和质子惰性分散溶剂混合，得到悬浮液；将所述悬浮液进行质子惰性分散溶剂去除处理，得到PIC型固态电解质；配制锂盐电解质溶液；将所述PIC型固态电解质浸于所述锂盐电解质溶液中，得到含有锂盐电解液的PIC型固态电解质；在隔膜的表面涂覆所述锂盐电解质溶液，将涂覆有锂盐电解质溶液的隔膜与含有锂盐电解液的PIC型固态电解质贴合，得到所述三明治结构杂化电解质。优选的，所述质子惰性分散溶剂去除处理的方法为蒸发；所述蒸发的温度为55～60℃，时间为12～24h。本专利技术还提供了上述技术方案所述三明治结构杂化电解质或上述技术方案所述制备方法制备得到的三明治结构杂化电解质在固态锂电池中的应用。本专利技术还提供了一种固态锂电池，包括正极、负极和固态电解质，所述固态电解质为上述技术方案所述三明治结构杂化电解质或上述技术方案所述制备方法制备得到的三明治结构杂化电解质。本专利技术提供了一种三明治结构杂化电解质，包括含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层和设置在所述含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层两侧的含有锂盐电解液的隔膜。本专利技术提供的PIC型固态电解质为均匀共混形成的聚合物分散在陶瓷中(Polymer-in-Ceramic，PIC)的电解质，相比传统的陶瓷分散在聚合物中(CIP)电解质，有效提高了电解质整体的机械性能；同时，含电解液的PIC型固态电解质，有利于提高三明治结构杂化电解质的离子电导率；此外，鉴于三明治结构电解质的隔膜外层是软层结构，有利于降低三明治结构杂化电解质与电极的界面电阻。实施例测试结果表明，本专利技术提供的三明治结构杂化电解质室温下离子电导率为4.76×10-4S·cm-1，具有优良的离子电导率；界面电阻均小于300Ω，三明治结构杂化电解质与电极界面电阻小；力学强度良好。以本专利技术提供的三明治结构杂化电解质为电解质组装的固态锂电池在室温、0.2C条件下，首次放电比容量为125.8mAh·g-1，占LiFePO4理论比容量的74％；在经过9个循环后，放电比容量获得最大值，高达135.3mAh·g-1；在200次循环之后，该固态锂电池的放电比容量仍有128.4mAh·g-1。附图说明图1为实施例1中PIC型固态电解质芯层的SEM图，其中，(a)为横截面SEM图，(b)为横截面局部放大SEM图，(c)为表面SEM图；图2为实施例1中PIC型固态电解质的XRD图；图3为实施例1中隔膜的SEM图；图4为实施例1所得三明治结构杂化电解质的阻抗谱图，其中内插图为三明治结构杂化电解质的阻抗谱图的局部放大图；图5为测试例1所得三明治结构杂化电解质组成的LiFePO4||LiFePO4对称电池的阻抗谱图；图6为测试例1所得三明治结构杂化电解质组成的Li||Li对称电池的阻抗谱图；图7为应用例1所得LiFePO4||Li固态锂电池在室温、0.2C下的循环性能图。具体实施方式本专利技术提供了一种三明治结构杂化电解质，包括含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层和设置在所述含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层两侧的含有锂盐电解液的隔膜。在本专利技术中，若无特殊说明，所述各组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。在本专利技术中，所述三明治结构杂化电解质包括含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层；所述含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层包括PIC型固态电解质和锂盐电解液。在本专利技术中，所述PIC型固态电解质包括聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、第一锂盐和陶瓷微粒。在本专利技术中，所述第一锂盐优选为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)。在本专利技术中，所述陶瓷微粒的材质优选为Li7La3Zr2O12(记为LLZO)或Li7La3Zr2O12的掺杂物。在本专利技术中，所述Li7La3Zr2O12的掺杂物包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三明治结构杂化电解质，包括含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层和设置在所述含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层两侧的含有锂盐电解液的隔膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种三明治结构杂化电解质，包括含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层和设置在所述含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层两侧的含有锂盐电解液的隔膜。


2.根据权利要求1所述的三明治结构杂化电解质，其特征在于，所述含有锂盐电解液的PIC型固态电解质芯层包括PIC型固态电解质和锂盐电解液；
所述PIC型固态电解质包括聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、第一锂盐和陶瓷微粒；
所述第一锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂；
所述陶瓷微粒的材质为Li7La3Zr2O12或Li7La3Zr2O12的掺杂物；
所述Li7La3Zr2O12的掺杂物包括Li7La3Zr2O12和掺杂元素，所述掺杂元素包括Ga、Bi、Rb、W、Ta、Cr、Al、Mo、Te、Ca、Ba、Sb、Nb、Si、In和Ge中的一种或多种。


3.根据权利要求2所述的三明治结构杂化电解质，其特征在于，所述聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、第一锂盐和陶瓷微粒的质量比为7：3：2：(60～120)。


4.根据权利要求1所述的三明治结构杂化电解质，其特征在于，所述锂盐电解液包括第二锂盐和质子惰性溶剂；
所述第二锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂；
所述质子惰性溶剂为四甘醇二甲醚。


5.根据权利要求4所述的三明治结构杂化电解质，其特征在于，所述锂盐电解液中第二锂盐的浓度为1mo...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱孔军，李军，姚忠冉，严康，王婧，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32