[發明專利]一種固體電解質復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710948186.7
• 申請日: 2017-10-12
• 公開（公告）號: CN109659604B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 劉屹東;李鑫;林海;郭芳君;劉夢然;潘鋒
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/052
• 代理公司: 深圳鼎合誠知識產權代理有限公司 44281
• 代理人: 郭燕

本申請公開了一種固體電解質復合材料及其制備方法和應用。本申請的固體電解質復合材料，由聚合物基底、鋰鹽和摻雜物復合而成；其中，聚合物基底為聚環氧乙烷或其衍生物；摻雜物為具有羥基吡咯烷酮結構的聚合物。本申請的固體電解質復合材料，通過在PEO或其衍生物的固體電解質體系中添加具有羥基吡咯烷酮結構的聚合物作為摻雜物，有效的提高了固體電解質復合材料整體的導電性，改善其電子傳輸性能，為制備高品質的固態鋰電池奠定了基礎。并且，本申請的固體電解質復合材料，原材料成本低、易獲取，制備方法也簡單易操作，特別適合于大規模的批量化生產。

技術領域

本申請涉及固態電池領域，特別是涉及一種固體電解質復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著相關研究的飛速發展，鋰離子電池已經進入了我們生產、生活的很多領域，諸如可穿戴電子設備電源、汽車動力系統、能源貯存等。作為鋰離子電池的重要組成的電解質，對電池性能影響至關重要；而長期以來使用的液體或凝膠電解質在電池使用過程中會放熱和放出可燃氣體，安全性和穩定性都存在隱患。相比之下，新興研究方向的固體電解質不僅可以解決安全性問題，還能夠對界面枝晶有改善，因而有著廣闊的研究前景。

固體電解質的分類方式有很多，一般分為無機陶瓷電解質和有機聚合物電解質，其中后者制備簡單、成本低廉且有著很好的可加工性能因而更受歡迎。有機聚合物電解質又可以根據組成成分分為純固態聚合物電解質、凝膠聚合物電解質、復合聚合物電解質，其中復合聚合物電解質又可以根據復合的成分、方法和微觀結構等進行進一步的細分。從聚合物電解質的發展來看，早期研究人員探索了多種聚合物基底與塑化劑的復合，接著在此基礎上進行了一系列性能優化，引入了多種改性方法和復合體系，但至今未能實現成本和性能的雙贏。

聚環氧乙烷(縮寫PEO)及其衍生物是目前公認的最適合制備全固態電解質的復合基質。PEO雖然本身導電性差，但鏈段中有大量帶孤對電子的氧，有著很強的配位能力，與鋰鹽有很好的相容性，多種元素摻雜改性時穩定性也很好。PEO鋰鹽復合物導電機理主要有兩種：一是一些6:1的晶態復合物，如PEO₆-Li-AsF₆，中PEO鏈形成鋰離子和陰離子分離的通道；二是非晶相中PEO鏈的運動能力較強，從而帶動醚氧原子上的鋰傳遞來導電；聚合物電解質多基于后一原理進行共聚、接枝、摻雜等改性。但現有的改性方法設計復雜，原料成本高、電解質材料制作流程復雜，不具備廣泛應用的能力。

發明內容

本申請的目的是提供一種新的固體電解質復合材料及其制備方法和應用。

本申請采用了以下技術方案：

本申請的一方面公開了一種固體電解質復合材料，該固體電解質復合材料由聚合物基底、鋰鹽和摻雜物復合而成；其中，聚合物基底為聚環氧乙烷或其衍生物；摻雜物為具有羥基吡咯烷酮結構的聚合物。

需要說明的是，本申請的關鍵在于向PEO或其衍生物的固體電解質體系中摻雜具有羥基吡咯烷酮結構的聚合物，通過這類聚合物的摻雜，可以有效的改善PEO或其衍生物固體電解質體系的導電性，從而得到本申請的具有高導電性的固體電解質復合材料，本申請的一種實現方式中，本申請的固體電解質復合材料其室溫電導率達到5.0×10^-3S/cm，接近同等條件下凝膠電解質的水平。

還需要說明的是，在PEO或其衍生物的固體電解質體系中，PEO鋰鹽復合物常溫下有三種相，即PEO晶相、復合晶相和無定型相，其中，由于PEO鏈較柔順，易結晶，使得三種相中，導電性好的無定型相占比很低。本申請的固體電解質復合材料，將具有羥基吡咯烷酮結構的聚合物摻入PEO中，由于具有羥基吡咯烷酮結構的聚合物剛性較強，摻入后不利于PEO結晶，增加了無定型相的占比；同時，聚合物所帶羥基與PEO上的氧相互作用，起到交聯效果，可與陽離子有配位輔助傳遞，從而提高導電性。