[發明專利]阻燃固液混合固態電解質以及制備方法和含其的鋰電池

有效

• 申請號: 202110418861.1
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113178617B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 郭玉國;譚雙杰;辛森;殷雅俠
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/42;H01M10/052
• 代理公司: 北京中知星原知識產權代理事務所(普通合伙) 11868
• 代理人: 艾變開

本申請公開了一種阻燃固液混合固態電解質以及制備方法和含其的鋰電池。所述阻燃固液混合固態電解質包括阻燃液相成分、鋰鹽和高分子網絡結構，所述阻燃液相成分和鋰鹽分散在所述高分子網絡結構中；其中，所述阻燃液相成分包括含磷有機化合物；所述含磷有機化合物包括磷酸酯、亞磷酸酯和膦酸酯及其鹵化物，為高效的阻燃液體；所述高分子網絡結構由高分子網絡結構單體聚合得到；所述高分子網絡結構單體選自含C＝C的酯類化合物中的至少一種,具有高的機械強度。本發明得到的電解質能夠較好地提升電池的循環性能和安全性能。

技術領域

本申請涉及一種阻燃固液混合固態電解質以及制備方法、應用，屬于電解質技術領域。

背景技術

近些年來，隨著電動汽車以及分布式儲能的迅速發展，人們對高比能的儲能系統有著更為迫切的追求。由于金屬鋰負極其具有高的比容量(3860mAh g^-1)和低的電化學還原電勢(-3.04V vs.標準氫電極)，基于金屬鋰為負極的電池理論上具有高的能量密度，但傳統的基于有機液態電解液的金屬鋰電池由于金屬鋰與液態電解液之間不穩定的化學作用及其存在的嚴重的安全隱患，大大限制了金屬鋰電池的應用。采用固態電解質，金屬鋰的枝晶生長和副反應有望得到抑制，使得電池顯示出更高的安全性和更長的循環壽命。目前來講，固態電解質主要可分為無機陶瓷類和聚合物類。在室溫下，無機陶瓷類固體電解質可以提供與液體電解質相當的Li⁺電導率，但是大多數陶瓷顆粒與電池電極的界面接觸不良，機械性能較差，無法與現有的鋰離子電池制造工藝相匹配。而基于聚合物的固體電解質具有良好的機械性能，可適應常規電池的制造，且其中一些已成功應用于以電動汽車。然而，基于聚合物的固體電解質在室溫下顯示出較低的Li⁺電導率，電池通常需要較高的工作溫度(例如，60℃)。為了提高聚合物固體電解質的Li⁺電導率，可行的做法是將有機液體電解質引入聚合物基體得到固液混合固態電解質。

固液混合固態電解質中的液體含量會顯著影響電解質的性能。在高液體含量下，固液混合固體電解質顯示出較高的Li⁺電導率，但機械性能卻大大減弱。與此同時，烴基液體溶劑(或增塑劑)的易燃性會同時帶來嚴重的安全隱患。在固體聚合物基體中引入阻燃基團可以在一定程度上改善其熱穩定性。但是，現有的工作都還是將易燃的碳酸酯/醚類電解質用作液相，使得整體的電解質仍然易燃。也有部分工作將阻燃液體(比如說磷酸酯)采用溶脹的方式引入固液混合固態電解質，但是游離的磷酸酯可能會導致電極-電解質界面惡化，同時降低電解質的機械強度。因此，發展兼具高離子電導率，優異機械性能，良好界面相容性和安全性的固液混合固態電解質非常重要。

本專利通過以阻燃型磷酸酯為固液混合固態電解質的液相成分，通過電池單體內原位聚合高分子單體，發展出了一系列可用于鋰電池的阻燃型固液混合固態電解液。該電解液在工作時，搭配金屬鋰和各類正極材料均表現出更高的安全性能和穩定的循環性能，同時，此類阻燃型固液混合固態電解液所能搭配的負極材料不僅限于金屬鋰，其他類的負極材料亦可，具有廣闊的應用前景及優勢。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供了一種阻燃固液混合固態電解質，該固態電解質以原位聚合的方式，選擇特定種類的阻燃型含磷有機化合物封裝于高強度的高分子骨架內部，能得到兼具高強度、高離子電導率、高離子遷移數、良好界面兼容性的固液混合固體電解質，本發明得到的電解質能夠較好地提升電池的循環性能和安全性能。本發明的制備方法易于調控，可靈活搭配溶劑、鋰鹽、添加劑的種類和比例，作為鋰電池的電解質，具有很高的安全性和應用前景。該制備方法簡單，原料易得，適宜大規模生產。

一種阻燃固液混合固態電解質，其特征在于，所述阻燃固液混合固態電解質包括阻燃液相成分、鋰鹽和高分子網絡結構，所述阻燃液相成分和鋰鹽分散在所述高分子網絡結構中；

其中，所述阻燃液相成分包括含磷有機化合物；

所述含磷有機化合物中含有式Ⅰ、Ⅱ所述的基團的任意一種，其特征是具有高效阻燃特性的低粘度液體：