一种固态电解质、固态电池极片及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种固态电解质、固态电池极片及其制备方法与应用，所述固态电解质包括聚合物，所述聚合物包括碳酸酯基团和儿茶酚结构。本发明专利技术所述固态电解质具备较好的离子电导率和粘性，能够均匀分散在固态电池极片中，使固态电池极片无需额外添加粘结剂和导离子添加剂，从而能降低固态电池极片的非活性物质的含量占比，使固态电池极片具备优异的电化学性能、机械性能及可加工性。机械性能及可加工性。机械性能及可加工性。

【技术实现步骤摘要】
一种固态电解质、固态电池极片及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于电池
，涉及一种固态电解质、固态电池极片及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]自锂离子电池商业化以来，能量密度不断提高，目前工业上已经可以达到300wh/kg的水平，但锂离子电池的能量密度仍需进一步提升，同时液态锂电池频发的起火事件也对未来电池的安全性提出了要求，而兼顾高能量和高安全的策略即是走向全固态；目前，现有技术中公开的电解质，一般位于正负极片之间，起到替代液态锂电池中隔膜及电解液的作用，但是，用于固态电池正极内部的固态电解质却鲜有报道，因此固态正极内部的离子传输仍是限制固态电池发展的关键技术及瓶颈之一。
[0003]由于锂电池正极中最关键的部分为活性物质，为了使电极内部形成电子导通网络，需要添加导电剂，为使各粉体颗粒粘结，使电极机械完整还需添加一定量的粘结剂，而通常加入的粘结剂为离子电子绝缘的，会阻碍锂离子的传导，降低电池性能。作为锂离子电池最常用的粘结剂之一，聚偏氟乙烯PVDF是一种非极性链状高分子结晶性聚合物，具有热稳定性高，化学稳定性好和易于分散等优点，然而PVDF与电极材料之间的相互作用为较弱的范德华力，粘结力较弱，采用具有强相互作用(如
‑
OH,
‑
COOH)官能团的粘结剂可增强粘结性。
[0004]同时，在固态锂电池正极中，不同于液态锂电池中电解液可渗入正极内部形成离子通路，固态锂电池正负极及电解质各部分多为层层堆叠的状态，即使是原位聚合的固态聚合物电解质，受限于聚合物粘度及流动性等原因也只能用于低活性物质负载的情况；因此，在固态正极制备过程中几乎都要外加离子添加剂来保证正极内部的离子导通，这无疑又增加了电池中非活性物质的占比及成本。
[0005]固态电池电解质一般包括有机固态电解质和无机固态电解质，现有的无机固态电解质虽具备较高的离子电导率，但是将其作为离子添加剂加入正极时往往容易团聚，且无机电解质与正极活性颗粒间的点接触使得电解质利用率低，通常需要较大的添加量才能达到良好的锂离子传输效果，而高的添加量又会降低电池的能量密度。聚合物固态电解质能够均匀分散在正极里，常用的PEO基聚合物电解质是通过EO链段运动实现Li
+
迁移，在这类聚合物电解质中，溶解在电解质中的锂盐不能完全解离，易造成离子堆积现象，从而会降低Li
+
迁移速率，因此PEO基固态电解质离子电导率普遍偏低，基本在较高温度(60℃)条件下才能工作，且PEO基聚合物电解质的电化学窗口也较低，限制了其应用范围。
[0006]因此，需要提供一种固态电解质，其具有不同的锂离子传输机制以及强相互作用的官能团，因而可实现较高的室温离子电导率以及较高的粘性。此外还应在正极片中具备良好的分散性，与集流体以及正极材料有较好的浸润性等优点。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种固态电解质、固态电池极片及其制备方法与应用，所述固态电解质具备较好的离子电导率，能够均匀分散在固态电池极片中，并且其具备较高粘性，能作为粘结剂，降低固态电池极片的非活性物质的含量占比，解决固态电池极片需要额外添加非活性物质使电池性能下降的问题。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种固态电解质，所述固态电解质包括聚合物，所述聚合物包括碳酸酯基团和儿茶酚结构。
[0010]本专利技术所述固态电解质包括聚合物，所述聚合物包括碳酸酯基团，为聚碳酸酯基聚合物，由于极性碳酸酯基团[
‑
O
‑
(C＝O)
‑
O
‑
]能够促进锂盐电离，且其中的羰基(
‑
C＝O)与自由Li
+
之间存在络合
‑
解络合作用，从而能够促进Li
+
迁移，在固态电池极片中能构建离子通路，因此，聚碳酸酯基固态电解质具备较高的离子电导率，具体能达到10
‑4S/cm左右，并且能够均匀分散在固态电池极片中；但是，聚碳酸酯基聚合物的无粘性，因此本专利技术在所述固态电解质中引入儿茶酚结构，使固态电解质不仅具备较高的室温离子电导率，还具备较高的粘性，从而能够使所述固态电解质在固态电池极片中同时起到粘结剂的作用避免离子电子绝缘的常规粘结剂的使用，提升固态电池的性能；此外，本专利技术所述固态电解质同样适用于不同的电池体系，普适性高。
[0011]本专利技术所述儿茶酚结构是指苯环的3，4位具备酚羟基的结构。
[0012]优选地，所述固态电解质还包括锂盐。
[0013]优选地，所述碳酸酯基团位于环状结构中。
[0014]优选地，聚合所述聚合物的前驱体包括碳酸酯类单体、儿茶酚类单体、锂盐和引发剂。
[0015]本专利技术所述固态电解质的制备方法简单，仅需将上述前驱体混合通过搅拌和热(UV光)引发即可得到。
[0016]优选地，所述儿茶酚类单体与锂盐的摩尔比为(0.8
‑
1.8):1，例如可以是0.8:1、0.9:1、1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、1.7:1或1.8:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0017]优选地，所述儿茶酚类单体与碳酸酯类单体的摩尔比为(15
‑
23):(77
‑
85)，例如可以是15:85、20:80或23:77，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0018]优选地，所述碳酸酯类单体与锂盐的摩尔比为(5
‑
20):1，例如可以是5:1、8:1、10:1、15:1或20:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为(5
‑
10):1。
[0019]本专利技术为了避免前驱体溶于溶剂时还需进行除溶剂步骤，采用无溶剂的形式进行反应，但是单独的儿茶酚类单体不溶于碳酸酯类单体，而所述儿茶酚类单体需要溶解在碳酸酯类单体，才能与其聚合生成含有儿茶酚结构的聚合物，因此，本专利技术在原料中添加锂盐，锂盐是一种离子盐、儿茶酚类单体包括双键，二者于室温下皆为固态，共混后因分子间作用力(氢键)会形成共溶剂化的结构，类似于室温离子液体，可与为液态的碳酸酯类单体形成均一透明的溶液，从而能顺利溶解儿茶酚类单体，因此，本专利技术限定了儿茶酚类单体、
锂盐和碳酸酯类单体之间的摩尔比需要在合理范围内，以溶解儿茶酚类单体。
[0020]优选地，所述引发剂的添加量为碳酸酯类单体、儿茶酚类单体和锂盐三者总重量的1
‑
5wt％，例如可以是1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％或5wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为1wt％。
[0021]本专利技术所述引发剂的添加量会影响固态电解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固态电解质，其特征在于，所述固态电解质包括聚合物，所述聚合物包括碳酸酯基团和儿茶酚结构。2.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述固态电解质还包括锂盐；优选地，所述碳酸酯基团位于环状结构中；优选地，聚合所述聚合物的前驱体包括碳酸酯类单体、儿茶酚类单体、锂盐和引发剂。3.根据权利要求2所述的固态电解质，其特征在于，所述儿茶酚类单体与锂盐的摩尔比为(0.8
‑
1.8):1；优选地，所述儿茶酚类单体与碳酸酯类单体的摩尔比为(15
‑
23):(77
‑
85)；优选地，所述碳酸酯类单体与锂盐的摩尔比为(5
‑
20):1，优选为(5
‑
10):1；优选地，所述引发剂的添加量为碳酸酯类单体、儿茶酚类单体和锂盐三者总重量的1
‑
5wt％。4.根据权利要求2或3所述的固态电解质，其特征在于，所述碳酸酯类单体包括链状碳酸酯类单体和/或环状碳酸酯类单体，优选为环状碳酸酯类单体；优选地，所述碳酸酯类单体包括碳酸酯基团和碳碳不饱和键；优选地，所述链状碳酸酯类单体包括碳酸二烯丙酯和/或碳酸甲乙烯酯；优选地，所述环状碳酸酯类单体包括碳酸乙烯亚乙酯和/或碳酸亚乙烯酯。5.根据权利要求2
‑
4任一项所述的固态电解质，其特征在于，所述儿茶酚类单体中包括儿茶酚结构和碳碳不...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪纯，沈炎宾，陈立桅，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：