一种耐低温在线监测设备用固态电解质及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种耐低温在线监测设备用固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术

电力系统是个复杂的系统，它由众多的发电、输电、配电、用电等设备连接起来的，在电力需求上，不仅仅是生活用电，生产制造、商业活动等都离不开电能，一旦发生意外停电的情况，将会带来重大的经济损失。因此，保证这些电力设备的可靠运行非常重要。为了提高电力设备的安全、可靠性，防止火灾、停电等事故的发生，对电气设备进行在线监测具有重要意义。

以锂离子电池为代表的电源技术由于其循环性能好、无记忆效应、比能量高等优点，成为目前户外监测设备中应用最广泛的电源技术。在众多环境要素中，温度对锂离子电池性影的影响最大，锂离子电池所用的电解液作为有机液体，如同油脂，会在低温下变粘调甚至凝结，此时，导电的锂盐在里面的活动大大受到限制，这样的话充电效率很低，从而会导致锂离子电池在低温下充电慢，充不满，放电亦是如此。因此，在极端低温环境下，现有的锂离子电池电源系统无法满足在线监测设备的使用需求，造成在线监测设备在极端低温环境下使用时长大大减少。

固态锂电池主要由正极、负极、固态电解质构成，相对于现有基于电解液的锂离子电池，固态电池在低温下面临到容量衰减的问题会少很多。但是固态电池仍存在许多问题，如正负极与固态电解质之间的界面阻抗大、电池成型技术要求高且一致性差等，导致固态电池的规模化制备及其应用一直收到限制。

因此，如何制备一种新型的复合固态电解质，基于复合固态电解质采用辊压工艺解决正负极与固态电解质之间的界面阻抗大、电池成型等技术难题，最终提升在线监测设备电源装置的耐低温性能是是科研工作者亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种耐低温在线监测设备用固态电解质及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的第一目的是提供一种耐低温固态电解质膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、按一定比例称取LiOH·H

S2、将步骤S1得到的LLZTO粉体在高能球磨机上研磨，得到LLZTO纳米粉体；

S3、按一定比例将步骤S2得到的LLZTO纳米粉体与离子液体密封在球磨罐中，研磨得到面团状的LLZTO@ILE固态电解质；所述离子液体为双三氟甲基磺酰亚胺锂溶液于二乙基甲基-(2-甲氧乙基)铵基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺中的离子液体。

进一步的，步骤S1中，LiOH·H

进一步的，步骤S2中，煅烧温度950℃～1000℃，煅烧12h～14h。

进一步的，步骤S2中，在高能球磨机上以800r.p.m.研磨5h。

进一步的，步骤S3中，所述离子液体的浓度为0.5M～0.6M。

进一步的，步骤S3中，在球磨罐中，以300r.p.m.的速度研磨2h。

本发明的第二目的是提供上述的制备方法得到的固态电解质。

本发明的第三目的是提供一种耐低温固态电解质膜，将上述的固态电解质夹在两片PTFE膜中间辊压成薄膜，即得耐低温固态电解质膜。

本发明的第四目的是提供一种凝胶电极，其包上所述的固态电解质。

本发明的第五目的是提供一种电源装置，其包含上述的耐低温固态电解质膜或者上述的凝胶电极。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的一种耐低温固态电解质膜的制备方法，以传统固相反应法制备的立方石榴石型LLZTO纳米颗粒为基础，通过机械研磨，将离子液体中的阳离子通过非共价相互作用固化在LLZTO纳米颗粒上。通过引入离子液体提高了固态电解质中Li

(2)通过高效的辊压成型工艺，制备出了准固态电解质膜和凝胶正极膜、负极膜，构筑了固态电池，优良的兼容性使固态电池具有优异的电化学性能。

附图说明

图1为本发明制备得到的LLZTO粉体扫描电镜SEM图；

图2为本发明制备得到的LLZTO@ILE准固态电解质扫描电镜SEM图；

图3为本发明制备得到的耐低温固态电解质膜截面扫描电镜SEM图；

图4为实施例5提供的电源装置在低温-20℃下的放电容量对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供一种耐低温固态电解质膜的制备方法。

(1)按摩尔比6.4：3：1.4：0.3的摩尔比称取LiOH·H

(2)为了得到尺度更小的粉体，还需要在高能球磨机上以800r.p.m.研磨5h。

(3)在二乙基甲基-(2-甲氧乙基)铵基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺离子液体中溶解双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)得到浓度为0.5M的离子液体电解液(ILE)。在氩气环境下，将5g的LLZTO纳米粉体和150μL(～30wt％)的离子液体密封在球磨罐中，以300r.p.m.的速度研磨2h得到类似于面团的LLZTO@ILE准固态电解质(LLZTO@ILE QSSE)。即为固态电解质。

参考图1，可以看到本实施例所制备的LLZTO粉末，研磨后颗粒平均粒径为300nm左右，粒径分布均匀。

参考图2，可以看到LLZTO与ILE充分混合、研磨后，LLZTO的粒径形貌没有发生太大的变化。

实施例2

本实施例提供一种耐低温固态电解质膜的制备方法。

将实施例1制备的固态电解质夹在两片PTFE膜中间辊压成薄膜，即得耐低温固态电解质膜。

实施例3

本实施例提供一种凝胶正极的制备方法。

将5mg导电碳、90mg磷酸铁锂纳米粉体和25μL ILE混合，并在玛瑙研钵中手动研磨3小时以形成类似于面团的小球体，即可得到凝胶正极，然后在PTFE膜上辊压成薄膜。

实施例4

本实施例提供一种凝胶负极的制备方法。

将5mg导电碳、90mg石墨粉体和25μL ILE混合，并在玛瑙研钵中手动研磨3小时以形成类似于面团的小球体，即可得到凝胶正极，然后在PTFE膜上辊压成薄膜。

参考图3，基于LLZTO@ILE颗粒，通过辊压工艺制备了凝胶正极、负极，组装了电池。可以看出，集成后的电解质与正负极之间的界面非常连续，这有利于Li

实施例5

本实施例提供了一种电源装置的组装方法。

通过高效的辊压成型，按照负极/电解质膜/正极顺序组装成所需要的固态电池。

采用实施例2制备的耐低温固态电解质膜，组装电源装置。

参考图4，为基于本发明用高效的辊压成型方法开发出可改善正极/电解质界面和电池性能的固态电池低温-20℃下的放电性能对比图。从图中可以明显看到，两者电源装置的放电容量曲线明显不同。复合固态电解质膜的电源装置放电起始电压和放电平台更高，这主要是因为一方面LLZTO@ILE中固化的ILE提高了固态电解质中Li

以上未涉及之处，适用于现有技术。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。