一种薄型无机-有机杂化铁电纳米纤维膜复合固态电解质的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种薄型无机

【技术实现步骤摘要】
一种薄型无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜复合固态电解质的制备方法


[0001]本专利技术涉及固态锂金属电池领域，具体涉及一种薄型无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜复合固态电解质的制备方法
。

技术介绍

[0002]随着全球面临的化石能源枯竭紧缺问题，电动汽车和便携式电子设备的快速发展，社会对具有高安全性和高能量密度的储能系统的需求不断增加，人们期待具有更高的能量密度
、
更长的使用寿命和更好的安全性的储能电池
。
锂金属电池由于具有高能量密度，高工作电压，无记忆效应和环境友好等优点，已在许多领域都获得了广泛的应用
。
然而，锂金属电池中常用的液态电解质往往导致锂枝晶生长不可控，电化学和热稳定性不佳，易燃性高
。
因此，基于传统液体电解质的锂金属电池的性能和安全性问题限制了其应用和发展
。
[0003]为从根本上解决锂离子电池的安全和性能问题，开发固态锂金属电池是一种行之有效的方法，全固态电解质以其高安全性
、
高能量密度以及长使用寿命等优点，成为锂电池研发的关键技术，有望颠覆传统锂电池液态电解质和隔膜的研究
。
其中，固态电解质的性能在很大程度上决定了固态锂金属电池的性能表现
。
为了提高固态锂电池的综合性能，开发出具有高效的锂离子传输性能的固态电解质是未来固态锂电池的重要发展方向
。
固态电解质主要可分成无机固态电解质和聚合物固态电解质两种
。
无机固态电解质主要有氧化物固态电解质和硫化物固态电解质等，具有较高的离子电导率
、
良好的电化学稳定性以及良好的抑制锂枝晶能力，但是无机固态电解质的制备对于环境要求苛刻，需要在无水无氧的环境下制备，导致生产成本高
。
固态聚合物电解质通常通过将锂盐溶解在高分子量聚合物基质中来制备，具有良好的界面相容性和优异的化学和电化学稳定性
。
相较于无机固态电解质，聚合物基固态电解质具有易于制备和制造成本低等特点，此外还具有柔韧性和轻质等优势，因此受到了广泛关注
。
聚合物固态电解质传导锂离子主要通过聚合物基质分子链的链段运动来进行
。
在聚合物链段运动过程中，解离自锂盐的自由锂离子可以从一个配位点跳跃至另一个配位点，进而形成锂离子在正负电极之间的传输
。
聚合物电解质不含有机溶剂，因此离子迁移状况主要取决于聚合物材料本身的特性，离子传输能力与聚合物链的运动有关
。
[0004]在聚环氧乙烷
(PEO)、
聚丙烯腈
(PAN)、
聚甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)、
聚偏二氟乙烯
(PVDF)
及其衍生物聚偏二氟乙烯
‑
共
‑
六氟丙烯
(PVDF
‑
HFP)、
聚碳酸乙烯酯
(PEC)
以及聚碳酸丙烯酯
(PPC)
等各种聚合物基质中，
PEO
因其较高的介电常数
、
较强的锂离子溶剂化能力
、
较好的分子链柔性，成为最有吸引力的固态聚合物电解质材料之一
。
然而，作为全固态锂电池的核心组件，兼具高离子电导率和无锂枝晶生长的可商用的
PEO
固态电解质仍未取得突破，这成为阻碍固态锂金属电池快速商业化的重要影响因素之一
。
目前，通过向
PEO/LiTFSI(LiTFSI
为双三氟甲基磺酸亚酰胺锂
)
固态电解质中加入各种无机纳米陶瓷填料的复合固态电解质已成为国内外学者研究热点，其主要目的是为了促进固态电解质内部的锂盐解离
和提高
PEO
分子链的运动能力以提高离子电导率
。
但是，一方面，复合电解质的离子电导率和锂离子迁移数均有待提高，另一方面，复合电解质的厚度由于要兼顾电解质成膜性和强力而往往较厚
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中的一个或多个不足，提供一种能同步实现电解质中锂盐的高效解离和锂离子的快速传输，以获得高离子电导率，且具有高机械强力的薄型复合固态电解质
。
[0006]本专利技术同时还提供了一种上述固态电解质的制备方法
。
[0007]本专利技术同时还提供了一种无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜
。
[0008]本专利技术同时还提供了一种包含上述无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜复合固态电解质的固态锂金属电池
。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用的一种技术方案是：
[0010]一种固态电解质，该固态电解质包含聚合物
、
锂盐和无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜，所述无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜通过将铁电钛酸铋
(Bi4Ti3O
12
)
纳米颗粒
(BIT NPs)
添加到铁电聚偏二氟乙烯
‑
三氟乙烯
(P(VDF
‑
TrFE))
纺丝液性中经由静电纺丝制得，所述无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜厚为
40
微米，呈现多孔形貌，所述钛酸铋的
XRD
衍射峰符合
JCPDS
卡片
NO.35
‑
0795
，所述聚偏二氟乙烯
‑
三氟乙烯纳米纤维在2θ
＝
19.9
°
处有明显的
β
相特征峰
。
[0011]本专利技术中，无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜指
Bi4Ti3O
12
/P(VDF
‑
TrFE)
杂化铁电纳米纤维膜，可以简写为
B
‑
P NFs。
[0012]根据本专利技术的一些具体方面，以质量百分含量计，该无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜中，铁电
Bi4Ti3O
12
纳米颗粒占
10
％
‑
40
％
。
[0013]根据本专利技术的一些优选且具体的方面，所述聚合物包含聚氧化乙烯
。
在一些具体实施方式中，所述聚合物可以仅为聚氧化乙烯
。
[0014]根据本专利技术的一些优选且具体的方面，所述锂盐包含双三氟甲烷磺酰亚胺锂
。
在一些具体实施方式中，所述锂盐可以仅为双三氟甲烷磺酰亚胺锂
。
[0015]在一些实施方式中，当所述聚合物包含聚氧化乙烯，所述锂盐包含双三氟甲烷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种薄型无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜复合固态电解质，其特征在于，该复合固态电解质包含聚合物
、
锂盐和无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜，所述无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜通过将铁电钛酸铋纳米颗粒添加到铁电聚偏二氟乙烯
‑
三氟乙烯纺丝液性中经由静电纺丝制得，所述钛酸铋的
XRD
衍射峰符合
JCPDS
卡片
NO.35
‑
0795
，所述聚偏二氟乙烯
‑
三氟乙烯纳米纤维在2θ
＝
19.9
°
处有明显的
β
相特征峰
。2.
根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述聚合物包含聚氧化乙烯，所述锂盐包含双三氟甲烷磺酰亚胺锂，且控制所述聚氧化乙烯中的结构单元氧化乙烯与所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂中的锂的摩尔比为8‑
16∶1。3.
根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述无机
‑
有机杂化铁电纳米纤维膜的制备方法包括：将聚偏二氟乙烯
‑
三氟乙烯粉末加入
N
，
N
‑
二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂中均匀搅拌成纺丝液，所述混合溶剂中
N
，
N
‑
二甲基甲酰胺和丙酮的质量百分含量比为
70
％
∶30
％，所述的纺丝液质量浓度为
10
％
‑
15
％，然后将铁电钛酸铋纳米颗粒按照聚偏二氟乙烯
‑
三氟乙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：康卫民，康俊宝，邓南平，程博闻，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：