复合固态电解质及其制备方法、固态电池及用电设备技术

本申请公开了一种复合固态电解质及其制备方法、固态电池及用电设备。复合固态电解质包括改性陶瓷颗粒、聚合物基体和锂盐，改性陶瓷颗粒为经过功能化聚合物接枝改性的陶瓷颗粒，功能化聚合物包括聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，陶瓷颗粒包括化学式为Li7‑

【技术实现步骤摘要】
复合固态电解质及其制备方法、固态电池及用电设备


[0001]本申请涉及锂离子固态电池
，具体涉及一种复合固态电解质及其制备方法、固态电池及用电设备。

技术介绍

[0002]当前的可充电锂离子电池是便携式电子产品、新能源汽车的重要组成部分。然而，目前的商用锂离子电池已经不能满足日益增长的需求，开发更安全、成本更低、能量密度更高、循环寿命更长的电池迫在眉睫。锂金属因具有极高的理论比容量(3860mAh
·
g
‑1)、低密度(0.59g
·
cm
‑3)和低的氧化还原电位(
‑
3.04V vs.标准氢电极)而受到关注。但它在实际应用中仍存在一些问题，由于液态电解质的高化学反应性和循环过程中不可控的锂枝晶生长，安全问题层出不穷，造成巨大的损失。固态电解质因具有高电化学稳定性和良好的机械强度而被认为是最有希望解决上述问题的材料。
[0003]固态电解质分为聚合物电解质和无机陶瓷电解质。聚合物电解质具有优异的安全性能、加工能力以及与电极界面的良好接触，但它们在室温下的离子电导率较低，难以抑制锂枝晶生长。无机陶瓷电解质具有高离子电导率、较大的锂离子迁移数，然而无机陶瓷电解质与电极之间的界面接触较差，刚性高、可加工能力差。这些缺点阻碍着聚合物电解质和无机陶瓷电解质的大规模应用。
[0004]将陶瓷颗粒添加到聚合物基体中，以此来结合两者的优势，扬长补短，得到具有高离子电导率、良好机械性能、宽电化学窗口的复合固态电解质。然而，陶瓷颗粒倾向于在聚合物基体中团聚，会破坏复合固态电解质中的渗流网络，导致离子电导率下降。所以，为了得到高离子电导率，大多数复合固态电解质只含有少量陶瓷颗粒，这极大的限制了电化学性能。因此，提高聚合物基体与陶瓷颗粒的界面相容性，增加陶瓷颗粒的负载量并使其均匀分布，对于提高复合固态电解质的综合性能及其在电池中的应用至关重要。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种复合固态电解质及其制备方法、固态电池及用电设备，解决了现有复合固态电解质中聚合物基体与陶瓷颗粒的界面相容性较差及陶瓷颗粒的负载量低的问题。
[0006]根据本申请第一实施例中的复合固态电解质，包括改性陶瓷颗粒、聚合物基体和锂盐，改性陶瓷颗粒为经过功能化聚合物接枝改性的陶瓷颗粒，功能化聚合物包括聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，陶瓷颗粒包括化学式为Li7‑
x
La3Zr2‑
x
M
x
O
12
的化合物，其中，0≤x≤2，M包括Ta、Al、Zr、Sn、Nb、Y或W中的一种或多种。
[0007]可选的，在本申请的其它实施例中，聚合物基体包括聚氧化乙烯、聚偏二氟乙烯或聚(偏二氟乙烯
‑
co
‑
六氟丙烯)中的一种或多种。
[0008]可选的，在本申请的其它实施例中，锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂。
[0009]可选的，在本申请的其它实施例中，以聚合物基体和锂盐的总质量计，改性陶瓷颗
粒的质量百分比为50％～70％。
[0010]根据本申请第二实施例中的复合固态电解质的制备方法，包括：
[0011]将改性陶瓷颗粒、聚合物基体和锂盐溶解在溶剂中，搅拌得到浆料；
[0012]将浆料涂布于模具上，干燥并除去溶剂后得到复合固态电解质；
[0013]其中，改性陶瓷颗粒为经过功能化聚合物接枝改性的陶瓷颗粒，功能化聚合物包括聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，陶瓷颗粒包括化学式为Li7‑
x
La3Zr2‑
x
M
x
O
12
的化合物，其中，0≤x≤2，M包括Ta、Al、Zr、Sn、Nb、Y或W中的一种或多种。
[0014]可选的，在本申请的其它实施例中，改性陶瓷颗粒的制备方法包括：
[0015]提供前驱体溶液；
[0016]将陶瓷颗粒加入前驱体溶液中，搅拌并硅烷化反应后，得到中间产物；
[0017]将中间产物、功能化聚合物和偶氮二异丁腈分散于溶剂中，在氮气氛围中进行反应，得到改性陶瓷颗粒。
[0018]可选的，在本申请的其它实施例中，前驱体溶液的制备方法包括：将3
‑
(三甲氧基硅基)甲基丙烯酸丙酯、乙酸、去离子水和乙醇混合，得到前驱体溶液。
[0019]可选的，在本申请的其它实施例中，中间产物和功能化聚合物的质量比为1：(9～11)。
[0020]根据本申请第三实施例中的固态电池，包括上述的复合固态电解质。
[0021]根据本申请第四实施例中的用电设备，包括上述的固态电池，固态电池作为用电设备的供电电源。
[0022]根据本申请实施例的复合固态电解质，至少具有如下技术效果：
[0023](1)本申请复合固态电解质包括改性陶瓷颗粒、聚合物基体和锂盐，改性陶瓷颗粒为经过功能化聚合物接枝改性的陶瓷颗粒，通过对陶瓷颗粒进行接枝改性，提高了聚合物基体与陶瓷颗粒的界面相容性，使高含量的陶瓷颗粒在聚合物基体中均匀分布；
[0024](2)通过对陶瓷颗粒进行接枝改性，消除了陶瓷颗粒表面的有害杂质碳酸锂；
[0025](3)通过对陶瓷颗粒进行接枝改性，提高了聚合物与陶瓷颗粒之间的相互作用，制备的复合固态电解质具有良好的机械性能。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1是本申请实施例1所制备的改性陶瓷颗粒的TEM图；
[0028]图2是本申请实施例1所制备的改性陶瓷颗粒的XPS图(C 1s)；
[0029]图3是本申请实施例1所制备的改性陶瓷颗粒的XPS图(O 1s)；
[0030]图4是本申请实施例1所制备的复合固态电解质膜表面的SEM图(100μm)；
[0031]图5是本申请实施例1所制备的复合固态电解质膜表面的SEM图(20μm)；
[0032]图6是本申请实施例1所制备的复合固态电解质膜的机械性能图；
[0033]图7是本申请实施例1所制备的复合固态电解质膜在30
‑
90℃下的阻抗变化；
[0034]图8是本申请实施例1所制备的复合固态电解质膜在30
‑
90℃下的电导率变化；
[0035]图9是本申请实施例1所制备的锂对称电池的恒电流充放电测试图；
[0036]图10是本申请实施例1所制备的Li/LiFePO4电池在1C(60℃)下的循环性能；
[0037]图11是本申请实施例1所制备的Li/LiFePO4电池在1C(60℃)下的充放电曲线；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合固态电解质，其特征在于，包括改性陶瓷颗粒、聚合物基体和锂盐，所述改性陶瓷颗粒为经过功能化聚合物接枝改性的陶瓷颗粒，所述功能化聚合物包括聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，所述陶瓷颗粒包括化学式为Li7‑
x
La3Zr2‑
x
M
x
O
12
的化合物，其中，0≤x≤2，M包括Ta、Al、Zr、Sn、Nb、Y或W中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的复合固态电解质，其特征在于，所述聚合物基体包括聚氧化乙烯、聚偏二氟乙烯或聚(偏二氟乙烯
‑
co
‑
六氟丙烯)中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的复合固态电解质，其特征在于，所述锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂。4.根据权利要求1所述的复合固态电解质，其特征在于，以所述聚合物基体和所述锂盐的总质量计，所述改性陶瓷颗粒的质量百分比为50％～70％。5.一种复合固态电解质的制备方法，其特征在于，包括：将改性陶瓷颗粒、聚合物基体和锂盐溶解在溶剂中，搅拌得到浆料；将所述浆料涂布于模具上，干燥并除去所述溶剂后得到所述复合固态电解质；其中，所述改性陶瓷颗粒为经过功能化聚合物接枝改性的陶瓷颗粒，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：许军，马祥，刘冕，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：