[發明專利]一種鈉離子復合固態電解質及其制備方法

在審

• 申請號: 202110741556.6
• 申請日: 2021-07-01
• 公開（公告）號: CN113506910A
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 朱玉松;束擇皖;張興鵬;鐘國強;陸凱杰;安瑩;曾志連
• 申請（專利權）人: 丹陽欣信新材料科技有限公司
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562;H01M10/0565;H01M10/058
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本發明屬于高分子材料和電池領域，具體涉及一種鈉離子復合固態電解質及其制備。該類固態電解質由復合固態電解質隔膜和增塑劑組成。制備此類固態電解質的原料是無機填料和有機高分子。本發明涉及一種鈉離子固態電解質及其制備，該方法制備工藝簡單，成本低廉。所制備的鈉離子固態電解質電導率高、電化學窗口寬、鈉離子遷移數高，且與電極材料相容性好，可有效的抑制枝鈉枝晶的生長，顯著提升電池的循環穩定性和倍率性能。該鈉離子復合固態電解質可用于高能量密度、大容量、高安全性的鈉電池中。

技術領域

本發明涉及電化學技術領域，具體涉及一種鈉離子復合固態電解質及其制備，以及在鈉電池(鈉一次電池和鈉二次電池)中的應用。

背景技術

鋰離子二次電池具有比能量密度大、工作溫度范圍寬、充放電壽命長、自放電小、無記憶效應小等優點，其質量能量密度可達到200Wh/kg，體積能量密度可達到400Wh/L，被認為是最有前途的化學電源。自從1990年Sony公司將其商業化以來，不僅在筆記本電腦、手機、攝像機、數碼相機、MP3等小型移動消費電子產品領域占據主導地位，而且近年來在動力電池和儲能電池領域都表現出令人矚目的發展前景。

但是，地球上的鋰資源并不豐富，鋰元素在地殼中的豐度僅為0.0065％，而且分布也很不均勻，隨著未來電動汽車、智能電網時代的到來，鋰資源短缺及昂貴的價格必然成為制約其發展的重要因素。因此，需要發展新型的儲能電池體系。相對于鋰，鈉在自然界的儲量遠高于鋰，地殼中的豐度達到2.64％，而且分布均勻，易于開采，價格比鋰低廉；鈉離子電池具有和鋰離子電池相同的反應機理，研究方法與方向相通，研究人員對其關注也逐年增加。這些使得鈉離子電池更加適合作為能量儲存系統。

針對鈉離子電池的研究可以追溯到20世紀70年代，近10年來鈉離子電池的研究更是迎來了井噴式增長。目前開發出的鈉離子電池的電解質與鋰離子電池同樣豐富，包括水系、有機系、固態三大類。水系電解質成本低、安全性高、環境友好，但是由于水的分解電壓限制，其工作窗口太窄，同時還得考慮與電極的適配問題。液態有機電解質仍然是發展最成熟的體系。目前最常見的溶劑是EC:PC、EC:DEC也有部分電解液使用PC作單一溶劑。NaClO₄則是目前使用最多的鈉鹽，它具有良好的電化學行為，成本低，但是缺點是有爆炸的危險。FEC是最常用的添加劑，有利于在負極形成薄且穩定的SEI。但是，液態有機電解質容易出現漏液、電極腐蝕等問題，在過高溫度下，甚至可能爆炸。盡管使用聚合物電解質能夠在一定程度上緩解這些問題，但不能從根本上解決。而使用固態電解質，不僅可以排除電解液帶來的漏液問題，而且不存在液態電解質的分解問題，使得全固態電池安全性能更高，循環壽命更長。

然而，在全固態電池實際應用之前，仍有許多問題需要解決。其中，固體電解質較低的離子電導率和固體電解質與電極材料之間的高界面電阻被認為是發展固態電池的兩大挑戰。幸運的是，研究者們已經提出了很多方案來降低固固界面電阻并提高循環壽命，包括了合成像納米粒子、納米線、納米管等納米結構電極來增加接觸界面面積，制造薄膜電池，電極-電解質界面處的介電改性，在負極和界面處添加離子液體，在超離子導體陶瓷電解質上生長類石墨烯中間層，構造單組分電池，薄膜固體電解質的表面改性，應用塑料晶體離子電解質界面。盡管使用這些創新方案降低了電池的界面電阻表現出良好的電化學性能，但電池循環性能和穩定性差的問題仍然存在，并且需要迫切解決。

根據電解質隔膜的材料性質，固態電池可分為聚合物電解質電池和陶瓷電解質電池。聚合物電解質具有良好的柔韌性，使得它們可以應用于不同類型的固態電池，并且可以彎曲、扭曲甚至卷曲而不會破裂。然而，它也有低離子電導率、差抗氧化性和容易刺穿等缺點。相比之下，陶瓷電解質具有相對較高的離子電導率，但它們的機械性能較差，在電池系統中有制造困難和界面接觸不良等問題。因此，非常需要開發一種兼具聚合物和固體陶瓷電解質優點的復合固態電解質，從而推動固態電池的發展。

發明內容