[發明專利]一種基于表面缺陷二氧化鈦的復合固態電解質膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110331182.0
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113206288A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 張佳峰;羅弼;季瑋杰;歐星;張寶
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562;H01M10/0565;H01M10/058;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
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本發明公開了一種基于表面缺陷二氧化鈦的復合固態電解質膜及其制備方法和應用。該復合固態電解質膜包括聚氧化乙烯、具有表面缺陷的二氧化鈦納米棒、鋰鹽。本發明將表面具有氧空位缺陷的二氧化鈦納米棒作為固態電解質膜的填充材料，其表面的氧空位可提供活性位點吸附鋰鹽的陰離子，促進鋰鹽的解離，進而增加固態電解質的鋰離子濃度；二氧化鈦納米棒的一維結構可以提供連續的離子傳導通道。所得復合固態電解質膜具備高鋰離子電導、寬電化學窗口和高熱穩定性的特點，應用于鋰離子全固態電池具有較高的容量和優異的穩定性。

技術領域

本發明涉及固態電解質材料技術領域，具體涉及一種基于表面缺陷二氧化鈦的復合固態電解質膜及其制備方法和應用。

背景技術

由于鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長等優點，目前已經廣泛應用于手機、電動汽車等領域。但由于鋰離子電池的電解液主要由有機溶劑組成，存在有毒、易燃、熱穩定性差等問題，易使得鋰離子電池產生嚴重的鋰枝晶生長和電極界面副反應，從而導致電池發熱甚至爆炸。而固態電解質具有不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液等優點，同時也可克服電池鋰枝晶現象，使得電池自燃和爆炸概率會大大降低。

固態電解質大體上可以分為有機聚合物固態電解質和無機固態電解質。無機固態電解質因其離子導電率高，熱穩定性高，電化學穩定性好的特點，受到人們的關注。但由于無機固態電解質沒有柔性，鋰離子在界面接觸受阻，因此界面問題限制了其的應用發展。而聚合物電固態解質因其具有較好的柔性，界面接觸好，成本低等特點，也受到了廣泛的關注。但聚合物固態電解質具有離子導電率較低，機械強度較低等不足，其產業化和實際應用面臨巨大挑戰。

針對聚合物固態電解質離子導電率低和機械強度低的特點，研究人員將無機填充料加入聚合物電解質中，構建復合固態電解質。一方面，無機填充料能打破聚合物的有序結構，降低聚合物的結晶度，提高聚合物分子的鏈段運動能力，提高離子導電率；另一方面，無機填料與鋰鹽具有路易斯酸堿作用，促進鋰鹽解離，提高鋰離子濃度和遷移數，提高離子導電率。同時無機填料的加入，能增強聚合物固態電解質的機械強度，抑制鋰枝晶的生長。但目前所使用的無機填充料表面與鋰鹽的路易斯酸堿作用有限，且無機填充料一般為納米顆粒，對電解質的機械強度提升有限，所獲得的復合固態電解質的室溫離子電導率提高程度有限，仍不能滿足電解質的高機械性能、高離子電導率和寬電化學窗口的要求。

因此，如何制備一種離子電導率高和機械性能強的復合固態電解質膜，成為亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于表面缺陷二氧化鈦的復合固態電解質膜及其制備方法和應用，該復合固態電解質膜具備高鋰離子電導、寬電化學窗口和高熱穩定性的特點，應用于鋰離子全固態電池具有較高的容量和優異的穩定性。

為了實現上述目的，本發明一方面提供了一種基于表面缺陷二氧化鈦的復合固態電解質膜，包括：二氧化鈦、聚合物、鋰鹽。

進一步地，所述二氧化鈦為表面具有氧空位缺陷的二氧化鈦納米棒，直徑為50～200nm，長度為500nm～5μm。

進一步地，所述聚合物為聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚乙酸乙烯酯(PVAC)中的至少一種。

進一步地，所述的復合固態電解質膜，其特征在于：所述鋰鹽包括高氯酸鋰(LiClO₄)、雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)、雙三氟甲基磺酰亞胺鋰(LiTFSI)和六氟磷酸鋰(LiPF₆)中的至少一種。

進一步地，所述復合固態電解質膜的厚度為25～150μm。

本發明第二方面提供一種基于表面缺陷二氧化鈦的復合固態電解質膜的制備方法，包括以下步驟：