一种离子导电率高的固态电解质及其制备方法

文献发布时间：2023-06-19 10:19:37

技术领域

本发明涉及一种固态电解质，尤其涉及一种离子导电率高的固态电解质及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长，没有记忆效应和优越的环境友好性，故锂离子电池在许多领域成为无处不在的能源。虽然锂离子电池在便携式设备上已经取得了巨大的成功，但是传统的液态锂离子电池具有易挥发、易分解、已泄露和易燃性的问题，这些问题限制着液态锂离子电池的发展。

为了克服液态锂离子电池的缺点，全固态锂离子电池，利用具有安全性更好的固态电解质，解决了液态锂离子电池的缺点。固态电解质一般分为三类：无机固态电解质、有机聚合物固态电解质和有机-无机复合固态电解质；而无机固态电解质通常又可分为氧化物和硫化物。

相比之下，有机-无机复合固态电解质由于无机材料的机械稳定性和有机聚合物与电极之间的界面相容性，在室温下可保持优秀的离子电导率；但是由于在有机-无机复合固态电解质中，有机材料中还是不能够容纳更多的锂离子，并且单一的有机材料在要求越来越高的锂离子电池中还是不能够满足固态电解质的力学性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种离子导电率高，并且循环性能好的固态电解质及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种离子导电率高的固态电解质，包括交联剂、离子导体、正极活性材料；所述交联剂包括聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷相互交联的高分子聚合物；所述离子导体包括Li

上述的离子导电率高的固态电解质，优选的，所述聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷的重量比为20:1-5:1。

上述的离子导电率高的固态电解质，优选的，所述Li

上述的离子导电率高的固态电解质，优选的，所述正极活性材料与聚偏二氟乙烯的重量比为1:100-1:10。

一种离子导电率高的固态电解质的制备方法，包括以下步骤，

1)将聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷的粉末加入到溶剂中，分散均匀；所述溶剂为NMP；

2)将离子导体和正极活性材料加入到步骤1)的溶液中，在室温-50摄氏度的温度下搅拌10小时以上形成浆料；

3)将步骤2)的浆料在40-80摄氏度的温度下真空或者惰性气体的保护下干燥1-3小时，形成离子导电率高的固态电解质。

上述的离子导电率高的固态电解质的制备方法，优选的，所述离子导体的制备方法包括以下步骤：

1)将28重量份硝酸锂和39重量份硝酸铝分别溶解在32重量份的无水乙醇中；

2)将步骤1)中的硝酸锂溶液滴加到硝酸铝溶液中形成混合溶液；

3)将123.5重量份的异丙醇钛和100重量份的磷酸分别溶解于24重量份的无水乙醇中；

4)将步骤2)中的混合溶液在搅拌的情况下加入到步骤3)中的异丙醇钛溶液中，随后加入步骤3)中的磷酸溶液；形成透明的混合溶液；

5)将步骤4)中的混合溶液在60-80摄氏度的水浴中，形成凝胶，并且在80摄氏度的条件下产生淡黄色凝胶；

6)将步骤5)中的凝胶研磨并在400-600摄氏度的条件下煅烧5小时以上，煅烧时升温速率为1摄氏度/分钟；

7)自然冷却后，将粉末再次研磨，在850℃的温度下煅烧5h以上，形成离子导体；煅烧时升温速率为1摄氏度/分钟。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在本发明中聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷形成交联结构有利于增强固态电解质的力学性能。同时，聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷具有高介电常数，前者具有良好的电化学稳定性，而后者中的醚氧基团可以与锂离子配位并生产环氧乙烷锂；由此可以在有机聚合物中容纳更多的锂离子。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例1

一种离子导电率高的固态电解质，包括交联剂、离子导体、正极活性材料；交联剂包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚环氧乙烷(PEO)相互交联的高分子聚合物；离子导体包括Li

在本实施例中，聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷的重量比为20:1-5:1。Li

在本实施例中，聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷形成交联结构有利于增强固态电解质的力学性能。同时，聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷具有高介电常数，前者具有良好的电化学稳定性，而后者中的醚氧基团可以与锂离子配位并生产环氧乙烷锂；由此可以在有机聚合物中容纳更多的锂离子。在本实施例中，LATP对水和氧具有高度的惰性，并且在室温下具有高的离子电导率，离子电导率达到10

在本实施例中，向聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷交联的聚合物溶液中加入亚微米级的离子导体LATP颗粒和LiPF

在本实施例中，PEO分子中存在大量的羟基，而PVDF分子拥有骨架和足够的氟化物，这样氟化物就与PEO上的氢原子形成大量的氢键，在大量的氢键的作用下，PVDF和PEO可以构建形成3D双矩阵交联结构，而结晶度较低的PEO，在交联结构中可以增强固态电解质的机械性能，并且形成非晶区，这样是有益于锂离子的运输的，从而提高离子导电率。

本实施例的复合聚合物，使得LATP颗粒和有机基质之间生成复合界面，从而进一步改变有机分子的环境。Li

本实施例的固态电解质的离子导电率可以达到5.3*10-4S/cm，其在0.1C的电流密度条件下，循环1000次后，容量保持率为92.3％。

本实施例还提供一种离子导电率高的固态电解质的制备方法，包括以下步骤，

1)将聚偏二氟乙烯和聚环氧乙烷的粉末加入到溶剂中，分散均匀；所述溶剂为NMP；

2)将离子导体和正极活性材料加入到步骤1)的溶液中，在室温-50摄氏度的温度下搅拌10小时以上形成浆料；

3)将步骤2)的浆料在40-80摄氏度的温度下真空或者惰性气体的保护下干燥1-3小时，形成离子导电率高的固态电解质。在制备固态锂离子电池的时候，将步骤2)的浆料涂覆在正极集流体(铝箔)上后，然后在步骤3)的条件下干燥，分切得到正极片。

在本实施例中，离子导体的制备方法包括以下步骤：