固态电解质及其制备方法和锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种固态电解质及其制备方法和锂离子电池，该制备方法包括：将含氮杂环和氢卤酸按叔铵氮和卤素的原子摩尔比1:1进行反应，得到含氮杂环离子盐；将所述含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体聚合得到聚离子盐；将所述聚离子盐与电解质分散液混合并干燥处理，得到固态电解质。由于聚离子盐的阴离子会脱离，脱离的阴离子和锂离子结合在负极形成含有卤化锂的SEI层，卤化锂可以稳定SEI层，促进锂金属的均匀沉积，同时提高了离子迁移数，减少死锂沉积，这样可提升锂离子电池的循环寿命。这样可提升锂离子电池的循环寿命。这样可提升锂离子电池的循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
固态电解质及其制备方法和锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池的
，特别涉及一种固态电解质及其制备方法和锂离子电池。

技术介绍

[0002]在锂离子电池中，电解质会在负极发生反应，形成一层覆盖在负极表面的钝化膜，这层钝化膜被称为固体电解质界面膜(SEI)，理想的SEI化学性质稳定，机械性能优良，可阻止电解质的分解和其他副反应。但是，现实情况是多数自然形成的SEI中含有大量的不稳定成分，缺少稳定的卤化锂，这导致SEI不稳定，并未起到隔离作用，副反应和电解质分解导致界面阻抗变大，界面阻抗的增大导致电池循环容量显著衰减，循环性能较差。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种固态电解质及其制备方法和锂离子电池，通过设计不同含氮杂环和不同阴离子的聚离子盐，由于聚离子盐的阴离子会脱离，脱离的阴离子和锂离子结合在负极形成含有卤化锂的SEI层，卤化锂可以稳定SEI层，同时提高了离子迁移数减少死锂沉积，这样可提升锂离子电池的循环寿命。
[0004]本专利技术的第一方面提供了一种固态电解质的制备方法，包括：将含氮杂环和氢卤酸按叔铵氮和卤素的原子摩尔比1:1进行反应，得到含氮杂环离子盐；将所述含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体聚合得到聚离子盐；将所述聚离子盐与电解质分散液混合并干燥处理，得到固态电解质。
[0005]可选的，将所述含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体聚合得到聚离子盐包括：在惰性气体氛围下，将所述含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体置于二甲基亚砜中，升温到目标温度并保持设定时间，得到所述聚离子盐的粉末。
[0006]可选的，所述目标温度为100
‑
140℃，所述设定时间为72小时以上；所述惰性气体为氮气或者氩气。
[0007]可选的，所述含氮杂环包括以下结构式：
[0008][0009]可选的，所述氢卤酸包括：HCl、HBr、HF或HI。
[0010]可选的，所述三聚氰胺单体包括以下结构式：
[0011][0012]可选的，将含氮杂环和氢卤酸按叔铵氮和卤素的原子摩尔比1:1进行反应，得到含氮杂环离子盐包括：在环境温度为
‑
20℃～10℃下将含氮杂环和氢卤酸按叔铵氮和卤素的原子摩尔比1:1进行搅拌反应。
[0013]可选的，将所述聚离子盐与电解质分散液混合得到固态电解质包括：将聚氧化乙烯、锂盐和乙腈进行溶解得到所述电解质分散液；将所述聚离子盐加入到所述电解质分散液中，搅拌分散得到混合物；将所述混合物倒入模具进行干燥得到固态电解质。
[0014]本专利技术的第二方面提供了一种固态电解质，包括：聚离子盐和电解质分散液；其中，所述电解质分散液包括聚氧化乙烯、锂盐和乙腈；所述聚氧化乙烯中重复单元和锂盐中锂的摩尔比为8
‑
20：1，所述乙腈与所述聚氧化乙烯的质量比为10
‑
20:1；所述聚离子盐与所述聚氧化乙烯的质量百分比为1％
‑
5％。
[0015]可选的，聚离子盐包括以下结构式：
[0016][0017]可选的，聚离子盐还包括以下结构式：
[0018][0019]本专利技术的第三方面提供了一种锂离子电池，包括：正极、负极和所述的固态电解质；其中，所述固态电解质用于锂离子电池在充放电过程中所述聚离子盐的卤素离子脱离，脱离的所述卤素离子与锂离子在负极形成SEI层，所述SEI层包括卤化锂。
[0020]本专利技术的上述技术方案至少具有如下有益的技术效果：
[0021]1、通过利用不同含氮杂环来改变聚离子盐的基体，达到调节结构的目的。
[0022]2、通过改变氢卤酸来改变聚离子盐的阴离子，从而在锂离子电池负极上形成不同的卤化锂，达到改善电池性能的结果。
[0023]3、本专利技术实施例通过对聚离子盐的结构设计，引入不同含氮杂环和不同阴离子，来原位生长不同的卤化锂，从而提高锂离子电池的循环稳定性，这类聚离子盐具有低成本的优势可广泛运用于固态、液态锂离子电池中。
[0024]4、本专利技术实施例中的含氮杂环、氢卤酸种类多，可以根据性能和需要进行组合设计不同的离子盐，生成对应的卤化锂。
[0025]5、本专利技术实施例的制备合成方法简单，原料丰富，具有低成本的优势，可以广泛使用。
附图说明
[0026]图1是根据本专利技术一实施方式的固态电解质的制备方法流程图；
[0027]图2为本专利技术实施例1制备得到的锂离子电池的离子迁移数测试图；
[0028]图3为本专利技术实施例1制备得到的锂离子电池的循环稳定性测试图；
[0029]图4为本专利技术实施例1制备得到的锂离子电池SEI层的X射线光电子能谱图。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。
[0031]本专利技术的第一方面提供了一种固态电解质的制备方法，如图1所示，具体地可以包括以下步骤：
[0032]步骤S100,含氮杂环离子盐的制备。将含氮杂环(吡啶、咪唑)和氢卤酸，在环境温
度为
‑
20℃～10℃下按叔铵氮和卤素原子摩尔比1：1搅拌反应一段时间后，重结晶除杂之后洗涤干净，真空干燥之后得到含氮杂环离子盐。
[0033]步骤S200,将制得的含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体聚合得到聚离子盐。在惰性气体氛围下，将含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体置于纯净的二甲基亚砜(DMSO)中，之后逐步升温到目标温度并保持设定时间，等到出现大量固体之后除杂洗净，真空干燥得到聚离子盐的粉末。一些实施例中，目标温度可以设为100
‑
140℃；设定时间可以为72小时以上；所述惰性气体为氮气或者氩气。
[0034]步骤S300,将所述聚离子盐与电解质分散液混合并干燥处理，得到固态电解质。一些实施例中，将聚氧化乙烯(PEO)、锂盐和乙腈进行溶解得到所述电解质分散液；将所述聚离子盐加入到所述电解质分散液中，搅拌分散得到混合物；将所述混合物倒入模具进行干燥得到固态电解质。
[0035]本专利技术实施例通过将制备得到的聚离子盐添加至由聚氧化乙烯、锂盐、乙腈制备成的电解质分散液中，经干燥处理后可得到固态电解质，并将固态电解质可制备成锂离子电池。在锂离子电池充放电循环过程中，聚离子盐的卤素阴离子脱离，之后阴离子在锂金属原位生长一层含有稳定的卤化锂化合物的SEI层，同时卤素阴离子脱离之后的位置可被锂盐的阴离子占据从而提高离子迁移数，减少死锂的沉积，进而提升电池的循环寿命。
[0036]示例性实施例中，步骤S300具体地可以包括：称取一定质量的锂盐，将聚氧化乙烯按聚氧化乙烯中重复单元和锂盐中锂的摩尔比为8
‑
20：1加入，并将聚离子盐按聚氧化乙烯质量百分比为1％
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固态电解质的制备方法，其特征在于，包括：将含氮杂环和氢卤酸按叔铵氮和卤素的原子摩尔比1:1进行反应，得到含氮杂环离子盐；将所述含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体聚合得到聚离子盐；将所述聚离子盐与电解质分散液混合并干燥处理，得到固态电解质。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体聚合得到聚离子盐包括：在惰性气体氛围下，将所述含氮杂环离子盐和三聚氰胺单体置于二甲基亚砜中，得到所述聚离子盐的溶液，对所述聚离子盐的溶液升温到目标温度并保持设定时间，得到所述聚离子盐的粉末；其中，所述目标温度为100
‑
140℃，所述设定时间为72小时以上，所述惰性气体为氮气或者氩气。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含氮杂环包括以下结构式：4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氢卤酸包括：HCl、HBr、HF或HI。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将所述聚离子盐与电解质分散液混合得到固态电解质包括：将聚氧化乙烯、锂盐和乙腈进行溶解得到所述电解质分散液；将所述聚离子盐加入到所述电解质分散液中，搅拌分散得到混合物；将所述混合物倒入模具进行干燥得到固态电解质。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彪，周诗，代利杰，黄建宇，欧阳晓平，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：