[發明專利]聚合物基復合固態電解質及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202111117866.7
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN115842159A
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 楊梅;黃子銘;夏暉;顧夢炎
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/052
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 劉海霞

本發明公開了一種聚合物基復合固態電解質及其制備方法與應用。所述方法通過將聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰加入乙腈中，攪拌處理，加入MOF5?NH₂材料，得到混合泥漿，揮發干燥，得到聚合物基復合固態電解質。本發明的聚合物基復合固態電解質具有較高的離子電導率和寬的電化學窗口，同時能夠抑制鋰硫電池中的多硫化物的穿梭效應，改善電池的循環穩定性。

技術領域

本發明屬于固態鋰電池技術領域，涉及一種聚合物基復合固態電解質及其制備方法與應用。

背景技術

作為新能源產業的重要支撐和輔助技術，電化學儲能器件成為全球研究與開發熱點，新型電化學儲能器件正朝著高比能量、高安全、長循環壽命、低成本方向發展。鋰硫電池具有優異的理論比容量(1672mAh/g)，其理論比能量密度高達2600Wh/kg，并且主要活性物質硫元素儲量豐富、價格低廉、容易制備獲取，因此被認為是一種具有理想應用前景的電池體系。

與傳統鋰離子電池的嵌脫鋰反應不同，鋰硫電池采用硫或含硫化合物為正極，鋰為負極，電解液采用液態有機化合物，通過硫-硫鍵的斷裂/生成來實現電能與化學能的相互轉換。放電時，鋰離子從負極脫出，向正極遷移，正極活性物質硫-硫鍵斷裂，期間伴隨著大量中間產物的氧化還原過程，會生成多種硫化鋰中間產物，如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄，最終形成Li₂S；充電時，Li₂S電解，釋放出來的鋰離子重新回到負極，沉積為金屬鋰或嵌入到負極材料中。

鋰硫電池發展至今仍面臨眾多挑戰，在液態電解液體系中，活性物質利用率低、容量衰減迅速、循環壽命短，自放電快，安全性能有待提高，限制了其進一步發展和應用。究其原因，主要是因為單質硫做正極，為絕電子緣體，導電率低，且和最終產物Li₂S₂/Li₂S密度差異大，存在明顯的體積效應，而中間產物多硫化物可溶于液態有機電解液，充電過程會遷移至負極，和不穩定的鋰金屬表面發生自放電反應，生成物回到正極被氧化，如此反復，形成穿梭效應，導致活性物質利用率低，造成電池容量損失和循環性能下降。除此之外，金屬鋰作為負極一直存在界面不穩定和枝晶問題，易引發熱失控及短路爆炸等問題，也制約了鋰硫電池的推廣和應用。目前報道的無機固態電解質雖然離子電導率高，但其存在加工性能差、不易成膜、電解質與電極之間的固固界面存在離子傳輸困難等問題，不易直接應用于電池器件中。盡管有機聚合物電解質有望應用于電池器件中，但單一的有機聚合物固態電解質，如聚環氧乙烷等，室溫離子電導率低，不能有效的抑制穿梭效應和鋰枝晶問題。目前，一種行之有效提高聚合物電解質的策略主要是在聚合物電解質中添加填料，從而提高其離子電導率以及機械性能。Yuan等人通過向聚氧化乙烯(PEO)中添加MOF5材料提高PEO基聚合物電解質的離子電導率，其原理是MOF材料中含有大量的路易斯酸性位點，路易斯酸不僅可以與PEO鏈的醚基上帶孤對電子的氧原子配位，降低PEO的結晶性，還可以與鋰鹽中的陰離子發生相互作用，促進鋰鹽分解，提高聚合物電解質的離子電導率(Journal of PowerSources 240(2013)653-658)，但單純的MOF材料添加并不能明顯提升離子電導率，并且也不能有效的解決聚合物基固態電解質氧化電壓低、鋰枝晶等問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種聚合物基復合固態電解質及其制備方法與應用。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

聚合物基復合固態電解質的制備方法，包括以下步驟：