一种复合固态电解质-正极复合材料及其制备方法、锂氧气电池技术

本发明专利技术提供了一种复合固态电解质

【技术实现步骤摘要】
一种复合固态电解质
‑
正极复合材料及其制备方法、锂氧气电池


[0001]本专利技术属于固态锂
‑
空气电池
，涉及一种复合固态电解质
‑
正极复合材料及其制备方法、锂氧气电池，尤其涉及一种可提高锂金属负极和无机固态电解质界面稳定性的复合固态电解质
‑
正极复合材料及其制备方法、电解质
‑
正极一体化结构的锂氧气电池。

技术介绍

[0002]随着社会的发展进步，不可再生资源日渐消耗而且导致严重的环境污染，人们迫切希望利用可再生能源。锂离子电池由于其便捷、成本低等优势被用在能源储存领域并被大众使用和喜爱，但是其理论能量密度有限，渐渐不能满足人们所需。锂氧电池具有较高的理论能量密度是锂离子电池的十倍，有望成为下一代能源储存装置。锂氧气电池因此闻名于世界，引发人们的广泛关注。
[0003]锂氧气电池组成与锂离子电池结构一样，包括负极、电解质和正极。不同之处主要在于正极，使用空气中的氧气或者直接使用空气作为正极。根据电解质的不同可分为水系锂氧气电池、有机液体锂氧气电池、固态锂氧气电池和混合锂氧气电池。
[0004]虽然有机液体锂氧气电池具有很多优势已经被广泛使用，但在实际应用中仍然存在许多挑战，包括锂金属负极被水氧等腐蚀，易燃有机液体电解质蒸发泄漏引起的安全性问题。可以使用不易燃且稳定的固体电解质来解决这些问题。
[0005]优良的固态电解质不仅需要高锂离子传导性，还需要良好的化学和电化学稳定性，空气稳定性及与锂金属的相容性和高机械强度。固态锂氧电池中已经使用了几种固体电解质，包括聚合物电解质(PEO)和无机固体电解质(LLZO，LATP，LAGP)。无机固态电解质磷酸钛铝锂LATP具有较高的锂离子传导率、机械稳定性、热稳定性等。但是，无机固态电解质LATP与锂金属物理接触不良，导致高界面阻抗。另外，锂金属易于LATP发生副反应，差的界面稳定性进一步增大界面阻抗。除了锂负极和固态电解质界面问题，固态电解质和正极界面也存在严重的问题，二者差的物理接触导致有限的接触面积和活性位点。锂金属和LATP陶瓷固体电解质的物理接触性和界面润湿性差，导致较大的界面电阻和不均匀的电流分布。而且，在循环期间由锂金属阳极的体积变化产生的应力使性能劣化。
[0006]因此，如何设计一种更适宜的固态锂氧气电池，在解决金属
‑
空气电池的界面稳定性问题的同时，还能进一步提高金属空气电池的电化学性能，已经成为该领域内众多前沿科研人员广为关注的焦点之一。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种复合固态电解质
‑
正极复合材料及其制备方法、锂氧气电池。特别是一种可提高锂金属负极和无机固态电解质界面稳定性的复合固态电解质
‑
正极复合材料。本专利技术直接在无机固态电解质上形成复合固态电解
质，而且采用了固态电解质
‑
多孔正极一体化结构，提高了电解质的电化学稳定窗口，有效增加了锂负极与固态电解质的界面接触和稳定性。
[0008]本专利技术提供了一种复合固态电解质
‑
正极复合材料，包括多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料；
[0009]复合在多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料一侧的多孔层中的固体电解质；
[0010]复合在多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料另一侧的多孔层中的正极材料；
[0011]所述骨架材料包括固态电解质骨架材料。
[0012]优选的，所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料具有依次复合的多孔层、致密层和多孔层；
[0013]所述骨架材料包括陶瓷固体电解质材料和/或固体聚合物电解质材料；
[0014]所述固体电解质包括固体聚合物电解质材料和/或陶瓷固体电解质材料；
[0015]所述复合固态电解质包括有机
‑
无机复合固态电解质；
[0016]所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料一侧的多孔层中还复合有锂盐；
[0017]所述复合固态电解质
‑
正极复合材料为用于锂氧气电池的复合固态电解质
‑
正极复合材料；
[0018]所述锂氧气电池为具有电解质
‑
正极一体化结构的固态锂氧气电池。
[0019]优选的，所述陶瓷固体电解质材料包括LATP、LAGP、LLZO和LLTO中的一种或多种；
[0020]所述固体聚合物电解质材料包括PEO、PAN、PVDF和PVDF
‑
HFP中的一种或多种；
[0021]所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料一侧的多孔层中还复合有锂盐；
[0022]所述锂盐包括三氟甲磺酸锂、高氯酸锂、硝酸锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种；
[0023]所述固体电解质与所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料的质量比为1：(1～10)；
[0024]所述锂盐与所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料的质量比为1：(2.5～25)。
[0025]优选的，所述多孔层的厚度为50～150μm；
[0026]所述多孔层的孔径为1～20μm；
[0027]所述多孔层的孔隙率为40～80％；
[0028]所述致密层的厚度为200～300μm；
[0029]所述致密层的孔径为0～500nm；
[0030]所述致密层的孔隙率为0～8％。
[0031]优选的，所述正极材料包括碳材料和聚合物；
[0032]所述碳材料包括Super P、CNT和KB中的一种或多种；
[0033]所述聚合物包括PEO、PAN、PVDF和PVDF
‑
HFP中的一种或多种；
[0034]所述碳材料与所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料的质量比为1：(500～1000)；
[0035]所述正极材料中的聚合物与所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料的质量比为1：(500～1000)；
[0036]所述正极材料还包括锂盐；
[0037]所述锂盐与所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料的质量比为1：(600～1200)。
[0038]本专利技术提供了一种复合固态电解质
‑
正极复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0039]1)制备多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料；
[0040]将固体电解质、锂盐和溶剂混合后，得到固体电解质溶液；
[0041]将碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合固态电解质
‑
正极复合材料，其特征在于，包括多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料；复合在多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料一侧的多孔层中的固体电解质；复合在多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料另一侧的多孔层中的正极材料；所述骨架材料包括固态电解质骨架材料。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料具有依次复合的多孔层、致密层和多孔层；所述骨架材料包括陶瓷固体电解质材料和/或固体聚合物电解质材料；所述固体电解质包括固体聚合物电解质材料和/或陶瓷固体电解质材料；所述复合固态电解质包括有机
‑
无机复合固态电解质；所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料一侧的多孔层中还复合有锂盐；所述复合固态电解质
‑
正极复合材料为用于锂氧气电池的复合固态电解质
‑
正极复合材料；所述锂氧气电池为具有电解质
‑
正极一体化结构的固态锂氧气电池。3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述陶瓷固体电解质材料包括LATP、LAGP、LLZO和LLTO中的一种或多种；所述固体聚合物电解质材料包括PEO、PAN、PVDF和PVDF
‑
HFP中的一种或多种；所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料一侧的多孔层中还复合有锂盐；所述锂盐包括三氟甲磺酸锂、高氯酸锂、硝酸锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种；所述固体电解质与所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料的质量比为1：(1～10)；所述锂盐与所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料的质量比为1：(2.5～25)。4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述多孔层的厚度为50～150μm；所述多孔层的孔径为1～20μm；所述多孔层的孔隙率为40～80％；所述致密层的厚度为200～300μm；所述致密层的孔径为0～500nm；所述致密层的孔隙率为0～8％。5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述正极材料包括碳材料和聚合物；所述碳材料包括Super P、CNT和KB中的一种或多种；所述聚合物包括PEO、PAN、PVDF和PVDF
‑
HFP中的一种或多种；所述碳材料与所述多孔
‑
致密
‑
多孔骨架材料的质量比为1：(500～1000)；所述正极材料中的聚合物与所述多孔
‑
致密<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新波，刘建伟，李超乐，鲍迪，陈红，王金，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：