【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于固态电池，涉及一种基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法及其应用，特别涉及在固态锂金属电池中的应用。
技术介绍
1、在新能源技术发展的道路上，开发安全环保，高容量，长寿命的储能设备是十分重要的发展方向。锂金属电池由于其能量密度高，体积小，重量轻，安全环保等优势引起了广泛的关注。目前已经商业化的锂金属电池主要使用液态电解质为离子传导介质，但液态电解质的易燃性与不安全性引起了许多的负面效应。固态电解质具有安全性高，可与高压正极材料和锂负极相匹配的优势，被认为是下一代高能量密度、高安全电化学储能技术的关键材料之一。
2、聚合物固态电解质由于其柔韧和易加工等特性，率先在固态电池中实现应用。其中，聚环氧乙烷基聚合物固态电解质是当前最普遍采用的类型。但是由于聚环氧乙烷是半结晶高分子聚合物，在室温下结晶度很高，醚氧链的运动受到极大的限制，导致常温下迁移锂离子的能力较低，离子电导率仅为10-8～10-6scm-1，这也严重影响了聚环氧乙烷基聚合物固态电解质在实际应用中的性能。向聚环氧乙烷结构中添加无机填料是提高聚环氧乙烷基聚合物固态电解质应用性能的主要方法。无机填料的掺入能够阻碍聚环氧乙烷分子链的有序排列，降低其结晶性，从而有利于锂离子的传输。同时，强度更高的无机填料也会提升聚合物固态电解质的机械性能。然而，简单地填充无机材料很难形成均一稳定的复合固态聚合物电解质膜；无机、有机材料的界面相容性以及不同类型分子间的相互作用力都会对复合电解质的应用性能产生极大的影响。
技术实现思路b>
1、本专利技术的目的在于提供一种基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法及其应用，以解决现有技术中“简单地填充无机材料很难形成均一稳定的复合固态聚合物电解质膜；无机、有机材料的界面相容性以及不同类型分子间的相互作用力都会对复合电解质的应用性能产生极大的影响”的技术问题。
2、为了达到上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
3、本专利技术提供一种基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)将有机金属盐、三甲基乙酸分散到第一溶剂中，搅拌均匀，转移至反应釜中，在100～180℃反应12～36h，将所得产物过滤后洗涤，得到氧化物纳米粒子；
5、(2)将步骤(1)所得氧化物纳米粒子分散在第二溶剂中，加入适量的聚乙二醇，搅拌反应1～6h，然后陈化20～60天，将所得白色粘稠状物质洗涤，得到拓扑多孔结构的氧化物纳米片；
6、(3)按设定比例将聚环氧乙烷、锂盐分散于足量的第三溶剂中，搅拌均匀，然后加入步骤(2)所得氧化物纳米片，控制氧化物纳米片的浓度为5～20wt％，继续搅拌反应10～48h，将反应液浇铸于聚四氟乙烯模板，干燥后得到复合固态电解质膜。
7、优选的方案，步骤(1)中，所述有机金属盐为钛酸四丁酯、锆酸四丁酯、异丙醇锆、异丙醇铝、异丙醇锗、异丙醇锑中的一种或多种混合。
8、优选的方案，步骤(1)中，所述有机金属盐、三甲基乙酸的摩尔比1：1～1：3。
9、优选的方案，步骤(1)中，所述第一溶剂为乙二醇、异丙醇、丙二醇、二甘醇、乙二醇一丁醚中的一种或多种混合。
10、优选的方案，步骤(1)中，有机金属盐分散到第一溶剂中的浓度为1～100mg/ml。
11、优选的方案，步骤(2)中，所述第二溶剂为二氯甲烷、乙醇、乙腈中的一种或多种混合。
12、优选的方案，步骤(2)中，氧化物纳米粒子分散在第二溶剂中的浓度为1～100mg/ml。
13、优选的方案，步骤(2)中，所述聚乙二醇的分子量为400～8000g.mol-1。通过加入聚乙二醇，实现羟基间相互作用进行有序自组装，进一步促进烷氧链的增长，向二维方向拓展，形成氧化物纳米粒子填充的拓扑多孔纳米片。
14、优选的方案，步骤(3)中，所述聚环氧乙烷的分子量为100000～1000000g.mol-1，加入的锂盐为高氯酸锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种混合。
15、优选的方案，步骤(3)中，聚环氧乙烷中醚氧与锂盐的摩尔比为8：1～20：1。
16、优选的方案，步骤(3)中，所述第三溶剂为乙腈、苯甲醚、氯仿、二氯乙烷、二甲基甲酰胺中的一种或多种混合。
17、本专利技术还提供所述复合固态电解质膜在固态锂金属电池中的应用。
18、采用表面修饰的氧化物纳米粒子与聚环氧乙烷基聚合物电解质复合是一种制备高性能复合固态电解质的潜在方法。一方面纳米粒子尺寸更小，更有利于填充分散于聚合物骨架中；另一方面通过表面修饰，可以使纳米粒子与聚环氧乙烷有更强的亲合作用，促进界面相容性。在此基础上，本专利技术提出了基于氧化物纳米粒子组装而成的二维拓扑多孔结构，不仅能获得高机械强度的均一复合固态电解质膜，而且在抑制锂枝晶生长和优化锂离子传输方面具有显著的效果。
19、本申请先通过溶剂热反应制备出表面富含羟基的氧化物纳米粒子；再利用聚乙二醇端羟基的平面诱导作用使氧化物纳米粒子拓扑组装，形成二维多孔纳米片；最后这些拓扑多孔纳米片在聚环氧乙烷聚合物电解质中借助基团分子间作用力以及丰富的氢键形成高强度均质复合固态电解质膜。
20、与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果为：
21、1)本专利技术针对聚环氧乙烷电解质离子电导率低，机械性能差等问题，以表面修饰的氧化物纳米粒子和聚乙二醇进行配体交换反应得到拓扑多孔纳米片，作为填料应用于聚环氧乙烷聚合物电解质中。拓扑多孔纳米片能够为聚环氧乙烷提供连续的离子传输路径和优化与锂负极之间的界面从而抑制枝锂晶的生长。相比于普通的聚环氧乙烷电解质，所形成复合电解质具有离子电导率高，热稳定好，机械性能提升，所组装的li/li对称电池的循环寿命显著增长，采用商业化的lifepo4所组装的li/lifepo4电池的比容量和循环寿命都得到显著改善。
22、2)本专利技术聚环氧乙烷电解质的制备过程及合成条件简单，制备工艺易于放大；将氧化物纳米粒子本身零维填料的缺陷进行了改善，所组装的拓扑多孔纳米片更好的避免了填料易于团聚的问题，同时更好的提升了机械性能。
23、3)本专利技术所制备的固态电解质具有机械强度高，热稳定性好，离子电导率高，电化学窗口宽等优点。所得的固态电解质应用于锂金属电池中能有效抑制锂枝晶的生长，延长电池的循环寿命。
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1.一种基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机金属盐为钛酸四丁酯、锆酸四丁酯、异丙醇锆、异丙醇铝、异丙醇锗、异丙醇锑中的一种或多种混合。
3.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机金属盐、三甲基乙酸的摩尔比1：1～1：3。
4.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述第一溶剂为乙二醇、异丙醇、丙二醇、二甘醇、乙二醇一丁醚中的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，有机金属盐分散到第一溶剂中的浓度为1～100mg/mL。
6.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第二溶剂为二氯甲烷、乙醇、乙腈中的一种或多种混合。
8.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述聚环氧乙烷的分子量为100000～1000000g.mol-1，加入的锂盐为高氯酸锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种混合。
9.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，聚环氧乙烷中醚氧与锂盐的摩尔比为8：1～20：1；
10.根据权利要求1～9中任一项所述复合固态电解质膜在固态锂金属电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机金属盐为钛酸四丁酯、锆酸四丁酯、异丙醇锆、异丙醇铝、异丙醇锗、异丙醇锑中的一种或多种混合。
3.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机金属盐、三甲基乙酸的摩尔比1：1～1：3。
4.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述第一溶剂为乙二醇、异丙醇、丙二醇、二甘醇、乙二醇一丁醚中的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述基于拓扑多孔纳米片调控的复合固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，有机金属盐分散到第一溶剂中的浓度为1～100mg/ml。
6.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪涛，阳征斐，杨智昊，刘嘉星，吴维英，黄铁骑，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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