一种纤维状复合固态电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种纤维状复合固态电解质及其制备方法和应用，所述纤维状复合固态电解质包括电子导电部分和离子导电部分，所述电子导电部分具有网状结构，所述离子导电部分的材料填充在所述网状结构的孔中，所述电子导电部分的制备原料包括碳材料前驱体，所述离子导电部分的材料包括无机固态电解质；所述纤维状复合固态电解质兼具离子与电子双重导通效果，同时将长程导电和短程导电相结合，具有较高的导电率以及较低的界面阻抗，可作为电极材料的导电剂，使得采用所述电极材料制备得到的电池具有优异的电学性能。优异的电学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维状复合固态电解质及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种纤维状复合固态电解质及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]碱金属电池的正负极材料大多由活性物质、导电剂和粘结剂构成；其中，导电剂提供了电子电导特性，成为构成正负极材料导电网络的关键组分，离子导电则由渗入其中的电解液来解决，这种离子导电和电子导电的组合在当前对极片负载较小的情况下基本可以胜任常规的充放电过程，但是对于想要追求高能量密度电池为导向的厚电极的充放电性能发挥则受到一定影响，同时如果是固态电极设计，电池本身并不添加电解液，则必须引入离子导电通路设计。
[0003]固体电解质作为固态和半固态电池的核心部分，固体电解质主要包括聚合物固体电解质和无机固体电解质两大类，主要作为离子输运的载体。常见的无机固体电解质包括硫化物固体电解质和氧化物固体电解质等。其中，氧化物固体电解质材料具有安全性能高、稳定性良好、成本低廉、环境友好等优点，主要包括NASICON型结构氧化物电解质、石榴石结构氧化物电解质和钙钛矿结构氧化物电解质；硫化物固体电解质具有室温离子电导率高，低电子电导率和良好的机械性能等特性。氧化物与硫化物固体电解质也是当前开发全固态电池关注最高的无机固体电解质材料。CN111816916A公开了一种复合固态电解质膜及其制备方法和锂离子电池，该专利技术提出一种复合固态电解质膜，包括聚合物电解质，以及分散在所述聚合物电解质中的无机电解质纤维，所述无机电解质纤维的长度方向与所述复合固态电解质膜厚度方向的夹角θ满足：0
°
≤θ≤30
°
。该专利技术得到的复合固态电解质膜通过对物料组成和结构进行设计，提高了复合固态电解质膜的离子电导率和机械强度。
[0004]但是，由于无机固态电解质的刚性较强，对孔隙填充以及和电极的界面接触不利，同时也无法提供长程导电，而聚合物固态电解质往往电导率又较低，所以现有的无机固态电解质以及聚合物固态电解质均不能兼具优异的导电性能和较低的界面阻抗性能。
[0005]因此，开发一种导电率高、韧性好，且与电极界面阻抗低的纤维状复合固态电解质，是本领域急需解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种纤维状复合固态电解质及其制备方法，所述纤维状复合固态电解质将电子导电和离子导电相结合，使其兼具二者的优势，实现了离子与电子双重导通效果，具有较高的导电率以及较低的界面阻抗，进而使得采用其制备得到的电池具有优异的电学性能。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种纤维状复合固态电解质，所述纤维状复合固态电解质包括电子导电部分和离子导电部分；
[0009]所述电子导电部分具有网状结构，所述离子导电部分的材料填充在所述网状结构的孔中；
[0010]所述电子导电部分的制备原料包括碳材料前驱体，所述离子导电部分的材料包括无机固态电解质。
[0011]本专利技术提供的纤维状复合固态电解质包括电子导电部分和离子导电部分，所述电子导电部分具有连续的网状结构，所述网状结构中有大量的连续的空洞，而所述离子导电部分的材料则填充在所述空洞的孔中，进而实现了将电子导电和离子导电向结合而实现双重导通的效果，提高了离子导电和电子导电的导通能力，同时实现了长程导电和短程导电的结合，使最终得到的纤维状复合固态电解质具有较高的导电率、较高的压实密度、较好的柔性和适宜的孔隙率，同时与电极界面的阻抗也较小。
[0012]本专利技术提供的纤维状复合固态电解质可全部替代或者部分替代导电剂填充到电极材料中，降低传统导电剂的用量，进而有助于提高电极材料中活性物质的质量占比，降低电解液的用量，特别适用于厚电极(＞200μm)使用，且可以使得采用所述电极材料制备得到的电池具有优异的电学性能。
[0013]优选地，所述纤维状复合固态电解质的直径为5～5000nm，例如10nm、50nm、100nm、500nm、1000nm、2000nm、3000nm或4000nm等，进一步优选为50～500nm，例如100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm或450nm等。
[0014]优选地，所述纤维状复合固态电解质的长径比为2～100，例如10、20、30、40、50、60、70、80或90等，进一步优选为5～50。
[0015]优选地，所述纤维状复合固态电解质的孔隙率小于20％，例如19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％或10％等。
[0016]优选地，所述电子导电部分和离子导电部分的质量比为1:(0.1～9)，例如1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7或1:8等，进一步优选为1:(1～3.5)。
[0017]优选地，所述碳材料前驱体包括聚合物材料。
[0018]优选地，所述聚合物材料包括聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯或聚酰亚胺中的任意一种或至少两种的组合。
[0019]优选地，所述无机固态电解质包括氧化物固态电解质、硫化物固态电解质或氯化物固态电解质中的任意一种或至少两种的组合。
[0020]优选地，所述氧化物固态电解质包括NASICON型氧化物固态电解质、石榴石型氧化物固态电解质或钙钛矿型氧化物固态电解质中的任意一种或至少两种的组合。
[0021]优选地，所述NASICON型氧化物固态电解质包括磷酸钛铝锂、磷酸钛锂、磷酸锗锂或磷酸锆锂中的任意一种或至少两种的组合。
[0022]优选地，所述石榴石型氧化物固态电解质包括氧化锆镧锂。
[0023]优选地，所述钙钛矿型氧化物固态电解质包括氧化钛镧锂。
[0024]优选地，所述硫化物固态电解质包括Li
‑
P
‑
S型固态电解质、Li
11
‑
n
M2‑
n
P
1+n
S
12
型固态电解质或Li6PS5X型固态电解质中的任意一种或至少两种的组合，
[0025]其中，n大于0且小于等于1，M选自Ge、Sn或Si，X选自Cl、Br或I。
[0026]优选地，所述Li
‑
P
‑
S型固态电解质包括Li3PS4和/或Li7P3S
11
。
[0027]优选地，所述Li
11
‑
n
M2‑
n
P
1+n
S
12
型固态电解质包括Li2S
‑
GeS2‑
P2S5。
[0028]优选地，所述电子导电部分的材料还包括碳纳米管；
[0029]优选地，所述碳材料前驱体和碳纳米管的质量比为1:(0.1～9)，例如1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7或1:8等。
[0030本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维状复合固态电解质，其特征在于，所述纤维状复合固态电解质包括电子导电部分和离子导电部分；所述电子导电部分具有网状结构，所述离子导电部分的材料填充在所述网状结构的孔中；所述电子导电部分的制备原料包括碳材料前驱体，所述离子导电部分的材料包括无机固态电解质。2.根据权利要求1所述的纤维状复合固态电解质，其特征在于，所述纤维状复合固态电解质的直径为5～5000nm，优选为50～500nm；优选地，所述纤维状复合固态电解质的长径比为2～100，进一步优选为5～50；优选地，所述纤维状复合固态电解质的孔隙率小于20％。3.根据权利要求1或2所述的纤维状复合固态电解质，其特征在于，所述电子导电部分和离子导电部分的质量比为1:(0.1～9)，优选为1:(1～3.5)；优选地，所述碳材料前驱体包括聚合物材料；优选地，所述聚合物材料包括聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯或聚酰亚胺中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1～3任一项所述的纤维状复合固态电解质，其特征在于，所述无机固态电解质包括氧化物固态电解质、硫化物固态电解质或氯化物固态电解质中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述氧化物固态电解质包括NASICON型氧化物固态电解质、石榴石型氧化物固态电解质或钙钛矿型氧化物固态电解质中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述NASICON型氧化物固态电解质包括磷酸钛铝锂、磷酸钛锂、磷酸锗锂或磷酸锆锂中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述石榴石型氧化物固态电解质包括氧化锆镧锂；优选地，所述钙钛矿型氧化物固态电解质包括氧化钛镧锂；优选地，所述硫化物固态电解质包括Li
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P
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S型固态电解质、Li
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n
M2‑
n
P
1+n
S
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型固态电解质或Li6PS5X型固态电解质中的任意一种或至少两种的组合，其中，n大于0且小于等于1，M选自Ge、Sn或Si，X选自Cl、Br或I；优选地，所述Li
‑
P
‑
S型固态电解质包括Li3PS4和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓东，刘洋，许晶晶，
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：