一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质及制备方法与固态锂金属电池技术

本发明专利技术公开了一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质及制备方法与固态锂金属电池。固态电解质的制备方法，包括步骤：采用液相法制备得到纳米尺寸的氧化物颗粒，其中所述氧化物颗粒为离子导体或非离子导体；在所述氧化物颗粒表面进行元素掺杂，得到表面缺陷化的氧化物颗粒；将所述表面缺陷化的氧化物颗粒分散在聚合物电解质溶液中，干燥制得表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质，其中聚合物电解质包括聚合物和锂盐。本发明专利技术使用元素掺杂手段调控氧化物颗粒的表面缺陷，利用表面缺陷和聚合物电解质中锂盐阴离子之间的耦合作用，制备了室温高锂离子迁移数和高锂离子电导率的固态电解质，同时该电解质还具有高的安全性能。同时该电解质还具有高的安全性能。同时该电解质还具有高的安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质及制备方法与固态锂金属电池


[0001]本专利技术涉及固态锂金属电池
，尤其涉及一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质及制备方法与固态锂金属电池。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备和全电动汽车需求的不断增加，开发具有高能量密度、高安全性和低成本的二次电池具有重要意义。然而，传统的液态锂离子电池使用的是有毒和易燃的液态有机电解液，在实际应用中容易出现泄漏进而引发自燃起火，存在着巨大的安全隐患。因此，具有高安全特性的固态电解质(SSE)不仅可以替代液态电解质进而提高锂离子电池的安全性能，还能够提高锂离子电池的能量密度。
[0003]尽管具有这些优势，但SSE的实际应用仍然面临着一些棘手的问题，其中包括聚合物SSE室温离子电导率低、机械性能差。一种理想的聚合物SSE应具有以下的特点：高室温离子电导率、对锂金属负极和高压正极具有良好的界面稳定性、低界面电阻、高的热力学稳定性、优异的机械性能。为了达到这些目标，已经报道了各种策略，例如在聚合物中添加氧化物颗粒(非离子导体、快离子导体、钙钛矿)、聚合物交联、支链修饰聚合物。虽然在聚合物SSE中添加氧化物颗粒可以降低聚合物的结晶度从而提高离子电导率，但是体系中仍然是聚合物贡献了主要的离子电导率，因此该方法提高室温离子电导率的程度仍然比较有限。
[0004]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法及其应用，旨在解决现有添加氧化物颗粒的聚合物电解质，其室温离子电导率仍然较低的问题。
[0006]在聚合物SSE中添加氧化物颗粒可以降低聚合物的结晶度从而提高离子电导率，但是体系中仍然是聚合物贡献了主要的离子电导率，因此该方法提高室温离子电导率的程度仍然比较有限。
[0007]专利技术人研究发现，在氧化物颗粒表面和聚合物SSE之间构建固定锂盐阴离子的渗透网络，以影响Li
+
的局部环境，活化更多游离的Li
+
并形成快速的Li
+
传输通道以提高聚合物电解质体系的锂离子电导率和锂离子迁移数。
[0008]基于此，本专利技术提供一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，包括步骤：
[0009]采用液相法制备得到纳米尺寸的氧化物颗粒，其中所述氧化物颗粒为离子导体或非离子导体；
[0010]在所述氧化物颗粒表面进行元素掺杂，得到表面缺陷化的氧化物颗粒；
[0011]将所述表面缺陷化的氧化物颗粒分散在聚合物电解质溶液中，干燥制得表面缺陷
氧化物耦合聚合物固态电解质，其中聚合物电解质包括聚合物和锂盐。
[0012]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述液相法可以为溶液法、水热法、溶胶凝胶法、共沉淀法中的至少一种。
[0013]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述离子导体可以为Li7La3Zr2O
12
、Li
6.4
La3Zr
1.4
Ta
0.6
O
12
、Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3、Li
0.33
La
0.56
TiO3、Na
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3、Li
3/8
Sr
7/16
Ta
3/4
Zr
1/4
O3中的至少一种。
[0014]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述非离子导体可以为SiO2、CeO2、TiO2、ZrO2、Sm2O3中的至少一种。
[0015]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述元素掺杂的元素可以为In、Zr、Ti、Ce、Ta中的至少一种。
[0016]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述在所述氧化物颗粒表面进行元素掺杂，得到表面缺陷化的氧化物颗粒的步骤，具体包括：
[0017]将氧化物颗粒分散在水中，再加入掺杂元素离子的水溶液，得到混合溶液；
[0018]调节所述混合溶液的pH，使掺杂的元素沉积在氧化物颗粒表面；
[0019]对沉积完成后的溶液进行固液分离，固相部分经洗涤干燥后得到表面缺陷化的氧化物颗粒前驱体；
[0020]将所述表面缺陷化的氧化物颗粒前驱体在空气下进行高温烧结后，得到表面缺陷化的氧化物颗粒。
[0021]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述掺杂元素和氧化物颗粒的摩尔比为0.5～10:100。
[0022]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述高温烧结的温度为300～600℃。
[0023]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述高温烧结的时间为1～5h。
[0024]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述聚合物可以为聚氧乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯共聚六氟丙烯(PVDF
‑
HFP)中的至少一种。
[0025]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述锂盐为双(三氟甲磺酰基)亚胺锂、高氯酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂和四氟硼酸锂中的至少一种。
[0026]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述将所述表面缺陷化的氧化物颗粒分散在聚合物电解质溶液中，干燥制得表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质，其中聚合物电解质包括聚合物和锂盐的步骤，具体包括：
[0027]将聚合物电解质和锂盐溶解于溶剂中，得到聚合物电解质溶液；
[0028]将所述表面缺陷化的氧化物颗粒分散在所述聚合物电解质溶液中，得到待浇注溶液；
[0029]将所述待浇注溶液浇筑在容器中，真空干燥制得膜状的表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质。
[0030]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述聚合
物、锂盐和表面缺陷化的氧化物颗粒的质量比为100:50～120:5～100。
[0031]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述真空干燥的时间为6～30h；所述真空干燥的温度为50～100℃。
[0032]所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其中，所述表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的厚度为50～200μm。
[0033]一种表面缺陷氧化物耦合聚合物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，包括步骤：采用液相法制备得到纳米尺寸的氧化物颗粒，其中所述氧化物颗粒为离子导体或非离子导体；在所述氧化物颗粒表面进行元素掺杂，得到表面缺陷化的氧化物颗粒；将所述表面缺陷化的氧化物颗粒分散在聚合物电解质溶液中，干燥制得表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质，其中聚合物电解质包括聚合物和锂盐。2.根据权利要求1所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，所述离子导体为Li7La3Zr2O
12
、Li
6.4
La3Zr
1.4
Ta
0.6
O
12
、Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3、Li
0.33
La
0.56
TiO3、Na
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3、Li
3/8
Sr
7/16
Ta
3/4
Zr
1/4
O3中的至少一种；或者，所述非离子导体为SiO2、CeO2、TiO2、ZrO2、Sm2O3中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，所述元素掺杂的元素为In、Zr、Ti、Ce、Ta中的至少一种。4.根据权利要求1所述的一种表面缺陷氧化物耦合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，所述在所述氧化物颗粒表面进行元素掺杂，得到表面缺陷化的氧化物颗粒的步骤，具体包括：将氧化物颗粒分散在水中，再加入掺杂元素离子的水溶液，得到混合溶液；调节所述混合溶液的pH，使掺杂的元素沉积在氧化物颗粒表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑洪，黄涛，熊伟，张黔玲，黄少銮，熊威，陈文沛，陈超，
申请(专利权)人：深圳市本征方程石墨烯技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：