Li制造技术

本发明专利技术公开了一种Li

【技术实现步骤摘要】
Li
+
双传输机制的复合固态电解质、其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及固态锂金属电池
，尤其涉及一种Li
+
双传输机制的复合固态电解质、其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]固态锂金属电池由于具有高能量密度和高安全性，显示出广阔的前景，开发高性能的新型固态电解质对锂金属电池的实际应用具有重要意义。在各种固态电解质中，由聚合物电解质和无机填料组成的复合固态电解质，因其离子导电性和机械强度的显著提高而受到越来越多的关注。
[0003]起初，无机固体电解质是以填料颗粒的形式直接与聚合物共混形成复合固态电解质。但相关研究表明，复合固态电解质中随机分散的无机填料会发生团聚效应，无法形成连续的离子传输路径，严重牺牲了离子传输能力。
[0004]为了减少无机填料的团聚，有必要提前设计无机填料在复合固态电解质中的分布结构。在有序复合固态电解质中，无机填料不仅能降低聚合物的结晶度，排列规整的无机填料能形成连续的离子输运机制，为Li+提供输运通道。最终有效提高离子电导率和Li+的迁移数。此外，该基底膜框架可以大大提高复合固态电解质的机械强度，从而抑制锂枝晶的生长。更重要的是，柔韧性好的聚合物基体和离子电导率高的无机填料的协同效应具有1+1>2的效果。这为具有优异的电化学性能、良好的机械强度和高安全性的高性能复合固态电解质开辟了一条新途径。
[0005]然而目前的现有技术中，构建的有序结构的固态复合电解质的锂离子传输性能仍有待提升。
专利
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Li
+
双传输机制的复合固态电解质、其制备方法与应用。
[0007]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种具有Li
+
双传输机制的复合固态电解质，包括基底膜以及固态锂离子电解质，多个孔结构沿所述基底膜的厚度方向贯穿所述基底膜，所述固态锂离子电解质填充于所述孔结构中；
[0009]所述基底膜包括聚合物基体以及与所述聚合物基体复合的无机填料；
[0010]所述无机填料包括层状硅酸盐黏土矿物材料，至少暴露于所述孔结构表面的所述层状硅酸盐黏土矿物材料的片层结构具有平行于所述孔结构的延伸方向的分布趋势。
[0011]第二方面，本专利技术还提供一种具有Li
+
双传输机制的复合固态电解质的制备方法，其包括：
[0012]提供基底膜前驱液，所述基底膜前驱液中溶解有聚合物以及无机填料；
[0013]利用冰模板法将所述基底膜前驱液固化形成具有多个孔结构的基底膜，所述孔结
构沿所述基底膜的厚度方向贯穿所述基底膜；
[0014]使锂离子电解质填充于所述孔结构中并固化，获得具有Li
+
双传输机制的复合固态电解质。
[0015]第三方面，本专利技术还提供一种全固态锂金属电池，其包括依次贴合的正极材料、上述复合固态电解质以及负极材料。
[0016]基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0017]1、本专利技术所提供的复合固态电解质采用冰模板法构筑垂直通道结构，使得片层状的无机填料能够平行于孔结构的延伸方向分布，构成了Li
+
双传输机制，Li
+
既能在通道中的快速传输，也能片层无机填料表面间的快速传输，从而显著提高了锂离子的迁移数。
[0018]2、本专利技术所提供的复合固态电解质相比于纯聚合物固态电解质来说，机械强度得到有效提升，无机填料的加入，使复合固态电解质的热稳定性得到有效提升。
[0019]3、本专利技术所提供的复合固态电解质的制备过程中还可以增加锂化处理的步骤，将蒙脱石片层上的阳离子置换成锂离子，将锂化蒙脱石作为单锂离子导体，以提供快速的锂离子传输通道。
[0020]4、本专利技术所提供的复合固态电解质的电化学性能体现在具有高离子电导率(1.99mS
·
cm
‑1)、高离子迁移数(0.73)以及优异的电化学稳定性(4.8V)上。
[0021]5、本专利技术所提供的复合固态电解质应用于锂金属电池时，锂金属磷酸铁锂纽扣电池中比容量不低于142mAh
·
g
‑1，库伦效率不低于99.7％，倍率、循环性能得到提升。同时复合固态电解质能够有效抑制锂枝晶的生长，避免造成短路等问题，提高了锂金属电池的循环稳定性。
[0022]6、本专利技术所提供的复合固态电解质的制备方法不涉及复杂的合成与繁琐的工艺，相比较于传统价格高昂的无机陶瓷电解质，蒙脱石矿物价格比较便宜，希望将更为廉价的无机填料与聚合物电解质组成离子传输通道，保证复合固态电解质性能优越的情况下尽量降低价格，使其更适用于大规模商业化生产。
[0023]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
[0024]图1是本专利技术一典型实施案例提供的复合固态电解质的结构以及制备过程示意图；
[0025]图2是本专利技术一典型实施案例提供的蒙脱石、锂化蒙脱石、锂化蒙脱石基复合固态电解质基底膜的XRD对比测试图；
[0026]图3是本专利技术一典型实施案例提供的蒙脱石复合固态电解质基底膜的数码照片(左)以及加入碳酸乙烯亚乙酯基电解质紫外固化后的蒙脱石复合固态电解质的数码照片(右)；
[0027]图4a是本专利技术一典型实施案例提供的锂化蒙脱石固态电解质基底膜的平面的SEM照片；
[0028]图4b是本专利技术一典型实施案例提供的锂化蒙脱石固态电解质基底膜的截面(孔结
构)的SEM照片；
[0029]图5a是本专利技术一典型实施案例提供的碳酸乙烯亚乙酯基电解质呈液态的数码照片；
[0030]图5b是本专利技术一典型实施案例提供的碳酸乙烯亚乙酯基电解质紫外聚合成固态的数码照片；
[0031]图5c是本专利技术一典型实施案例提供的碳酸乙烯亚乙酯基电解质紫外聚合过程的反应过程示意图；
[0032]图6为本专利技术一典型实施案例提供的锂化蒙脱石固态电解质的阿伦尼乌斯曲线图；
[0033]图7为本专利技术一典型实施案例提供的锂化蒙脱石固态电解质的离子迁移数比较图；
[0034]图8为本专利技术一典型实施案例提供的锂化蒙脱石固态电解质的线性扫描伏安曲线图；
[0035]图9为本专利技术一典型实施案例提供的锂化蒙脱石固态电解质制备的锂锂对称电池循环的电压曲线测试图；
[0036]图10为本专利技术一典型实施案例提供的锂化蒙脱石固态电解质制备的磷酸铁锂纽扣电池循环性能测试图；
[0037]图11为本专利技术一典型实施案例提供的锂化蒙脱石固态电解质制备的镍钴锰523纽扣电池循环性能测试图。
具体实施方式
[0038]鉴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有Li
+
双传输机制的复合固态电解质，包括基底膜以及固态锂离子电解质，多个孔结构沿所述基底膜的厚度方向贯穿所述基底膜，所述固态锂离子电解质填充于所述孔结构中；其特征在于：所述基底膜包括聚合物基体以及与所述聚合物基体复合的无机填料；所述无机填料包括层状硅酸盐黏土矿物材料，至少暴露于所述孔结构表面的所述层状硅酸盐黏土矿物材料的片层结构具有平行于所述孔结构的延伸方向的分布趋势。2.根据权利要求1所述的复合固态电解质，其特征在于，所述聚合物基体的材质包括聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯、聚偏氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述层状硅酸盐黏土矿物材料包括蒙脱石、蛭石、埃洛石、高岭石、累托石中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述层状硅酸盐黏土矿物材料经过锂化处理。3.根据权利要求2所述的复合固态电解质，其特征在于，所述孔结构的直径为1
‑
3μm；和/或，所述基底膜的厚度为100
‑
150um。4.一种具有Li
+
双传输机制的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，包括：提供基底膜前驱液，所述基底膜前驱液中溶解有聚合物以及无机填料；利用冰模板法将所述基底膜前驱液固化形成具有多个孔结构的基底膜，所述孔结构沿所述基底膜的厚度方向贯穿所述基底膜；使锂离子电解质填充于所述孔结构中并固化，获得具有Li+双传输机制的复合固态电解质。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基底膜前驱液中聚合物与无机填料的质量比为1∶2
‑
2∶1；和/或，所述基底膜前驱液中聚合物和无机填料的总浓度为20
‑
30wt％。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述冰模板法具体包括：将所述聚合物和无机填料与有机溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘美男，王露，李宛飞，吕卫邦，邸江涛，
申请(专利权)人：江西省纳米技术研究院，
类型：发明
国别省市：