[發明專利]固態電解質、鋰金屬負極及其制備方法

有效

• 申請號: 202010760017.2
• 申請日: 2020-07-31
• 公開（公告）號: CN112117488B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 曹元成;涂吉;樓平;李程;張煒鑫
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/0525
• 代理公司: 武漢卓越志誠知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42266
• 代理人: 戴寶松

1.一種固態電解質，其特征在于：所述固態電解質為由鋰鑭鈦氧和線性聚氨酯復合而成的復合聚合物電解質；所述固態電解質中，所述鋰鑭鈦氧與所述線性聚氨酯的質量比例為1：(9～11)；所述固態電解質的厚度為300～500μm；所述固態電解質的鋰離子電導率為3.8×10^-4 S cm^-1 ～5.0×10^-4 S cm^-1；

所述固態電解質具有聚氨酯和離子導電陶瓷鋰鑭鈦氧復合而成的線性結構，制備過程為：

首先采用水熱合成—熱解—高溫煅燒聯合工藝，制備出具有完全結晶相的鋰鑭鈦氧導電陶瓷納米顆粒；然后，將鋰鑭鈦氧導電陶瓷納米顆粒加入到2,4-甲苯二異氰酸酯和聚環氧丙烷的第二反應體系中，將線性聚氨酯的合成過程和鋰鑭鈦氧導電陶瓷納米顆粒的分散混合過程同步，使得鋰鑭鈦氧導電陶瓷納米顆粒能夠均勻分散在線性聚氨酯聚合物分子中并且擴散到聚合物復合膜的內部中，由此形成均勻的三維導電LLTO網絡結構。

2.一種權利要求1所述的固態電解質的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1，鋰鑭鈦氧的制備：按預定比例，配制硝酸鋰、硝酸鑭、鈦酸四丁酯和檸檬酸的第一反應體系，在160～200℃下，所述第一反應體系進行水熱反應8～16h；所述水熱反應結束后，將反應產生的第一反應產物進行干燥、熱解處理，然后在800～1000℃下煅燒1～4h，制備得到鋰鑭鈦氧顆粒；在步驟S1中，所述熱解處理的過程為：將干燥處理后的第一反應產物以3～8℃/min的加熱速率在300～400℃溫度下，熱解處理2～6h；

S2，固態電解質的制備：按預定比例，配制2,4-甲苯二異氰酸酯和聚環氧丙烷的第二反應體系，將步驟S1制備的所述鋰鑭鈦氧顆粒置于所述第二反應體系中，于50～80℃溫度下攪拌3～8h進行反應；然后將反應產生的第二反應產物倒入模具中，進行溶劑蒸發處理，制備得到所述復合聚合物電解質，即為所述固態電解質。

3.根據權利要求2所述的固態電解質的制備方法，其特征在于：在步驟S1所述第一反應體系中，所述硝酸鋰、硝酸鑭、鈦酸四丁酯和檸檬酸的摩爾質量比為0.33：0.557：1.00：0.887。

4.根據權利要求2所述的固態電解質的制備方法，其特征在于：在步驟S1中，所述第一反應體系的配制過程，包括如下步驟：

A1，按預定比例，將所述硝酸鋰、硝酸鑭、鈦酸四丁酯和檸檬酸分別溶于溶劑中，得到硝酸鋰溶液、硝酸鑭溶液、鈦酸四丁酯溶液和檸檬酸溶液；

A2，將步驟A1制備的所述硝酸鋰溶液、所述鈦酸四丁酯溶液和所述檸檬酸溶液混合均勻，得到第一混合溶液；然后在60～100℃攪拌處理下，滴加預定體積的所述硝酸鑭溶液；

A3，步驟A2所述硝酸鑭溶液滴加完畢后，攪拌處理20～40min，制備得到所述第一反應體系。

5.根據權利要求2所述的固態電解質的制備方法，其特征在于：在步驟S2中，所述2,4-甲苯二異氰酸酯和所述聚環氧丙烷的摩爾分數比例為1：(1.1～1.3)。

6.根據權利要求2所述的固態電解質的制備方法，其特征在于：所述2,4-甲苯二異氰酸酯和所述聚環氧丙烷的質量總和與所述鋰鑭鈦氧顆粒的質量的比例為(8～10)：1。

7.根據權利要求2所述的固態電解質的制備方法，其特征在于：在步驟S2中，所述第二反應體系的配制過程，包括如下步驟：

P1，按預定比例，將所述2,4-甲苯二異氰酸酯溶于有機溶劑中，然后在氬氣或者氮氣氣氛下加入催化劑，得到第二混合溶液；

P2，將所述聚環氧丙烷溶于所述有機溶劑中，得到聚環氧丙烷溶液；然后將所述聚環氧丙烷溶液置于步驟P1制備的所述第二混合溶液中；制備得到所述第二反應體系。

8.根據權利要求2所述的固態電解質的制備方法，其特征在于：步驟S2所述的溶劑蒸發處理在環境溫度下，氬氣或者氮氣氣氛中進行；所述模具為聚四氟乙烯。

9.一種鋰金屬負極，其特征在于：所述鋰金屬負極由權利要求1所述的固態電解質或者由權利要求2-8中任一項權利要求所述的固態電解質的制備方法制備得到的固態電解質和鋰金屬片復合而成。