[發明專利]一種復合固態電解質膜及其制備方法和全固態鋰金屬電池

在審

• 申請號: 202210626347.1
• 申請日: 2022-06-02
• 公開（公告）號: CN114927753A
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 譚強強;宋潔塵;徐宇興
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所;廊坊綠色工業技術服務中心
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/052
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 邊人洲

本發明提供了一種復合固態電解質膜及其制備方法和全固態鋰金屬電池。所述復合固態電解質膜包括纖維素基膜以及位于纖維素基膜表面的復合固態電解質層；所述復合固態電解質層包括聚合物基體、交聯聚合物、增塑劑、鋰鹽和改性無機納米填料；所述聚合物基體包含以環氧基團為端基基團的聚合物；所述交聯聚合物中含有氨基基團。本發明通過聚合物之間發生熱聚合反應，并與改性無機納米填料進行復合，原位制備了復合固態電解質膜，實現了改性無機納米填料在聚合物基體中能夠均勻分散，獲得了具有高室溫離子電導率和能夠良好抑制鋰枝晶生長的復合固態電解質膜，實現了良好的界面接觸，并提高了電池的電化學性能。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，涉及一種復合固態電解質膜及其制備方法和全固態鋰金屬電池。

背景技術

相比于商業化的鋰離子電池，全固態鋰金屬電池由于其具有更高的安全性、能量密度和電池比容量，因此是極具應用前景的鋰離子電池體系。固態電解質作為全固態鋰金屬電池的核心組成部分，其應具有高離子電導率和良好的電極/電解質接觸性能等優勢，以促進全固態鋰金屬電池的商業化發展。目前，復合固態電解質的制備過程中常常需要使用有機溶劑，其被用來溶解復合固態電解質中的各種組分，以便實現均勻混合，但相關有機溶劑往往具有毒性或腐蝕性等，不僅會對環境產生污染，對相關操作人員的健康亦會造成損傷。

復合固態電解質中添加無機納米顆粒往往伴隨著顆粒相互團聚的問題，顆粒團聚阻礙了鋰離子在聚合物基體中的傳輸，削弱了無機納米顆粒來降低聚合物的結晶度的作用，進而降低了固態電解質的離子電導率，因此開發一種聚合物基體的改性方法，對提高復合固態電解質的整體電化學性能具有重要意義。

一些聚合物能夠在無需使用有機試劑的前提下，通過加熱或者發生電化學反應來實現聚合物的原位制備。更重要的是，聚合物在原位熱聚合的過程中，不僅可以實現與正負極的良好接觸，還能夠實現聚合物鏈段的交聯，這有利于降低聚合物的結晶度，從而提高鋰離子在聚合物中的遷移速率。

因此需要開發一種復合固態電解質的無溶劑化制備方法，同時保證復合固態電解質具有高離子電導率和良好的電極/電解質界面接觸性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種復合固態電解質膜及其制備方法和全固態鋰金屬電池。本發明通過聚合物之間發生熱聚合反應，原位制備得到復合固態電解質膜，并通過直接滴加復合固態電解質漿料于纖維素基膜表面的方式，實現復合固態電解質對鋰枝晶的抑制作用，同時提高復合固態電解質與正負極的界面接觸性，進而獲得具有良好電化學性能的全固態鋰金屬電池。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種復合固態電解質膜，所述復合固態電解質膜包括纖維素基膜以及位于纖維素基膜表面的復合固態電解質層；

所述復合固態電解質層包括聚合物基體、交聯聚合物、增塑劑、鋰鹽和改性無機納米填料；

所述聚合物基體包含以環氧基團為端基基團的聚合物；

所述交聯聚合物中含有氨基基團。

本發明利用以環氧基團為端基基團的聚合物基體和含有氨基基團交聯聚合物能夠在高溫下發生開環的熱聚合交聯反應，這為鋰離子在聚合物中的遷移提供了傳輸通道，保證了復合固態電解質膜具有高離子電導率；纖維素基膜的加入能夠為復合固態電解質提供基底，有利于提高復合固態電解質膜的力學性能，進而有效抑制鋰枝晶的生長，促進復合固態電解質膜與鋰金屬的良好接觸。

優選地，所述聚合物基體包括聚乙二醇二縮水甘油醚、聚丙二醇二縮水甘油醚、聚乙二醇縮水甘油基十二烷基醚或聚甲基丙烯酸縮水甘油酯中的任意一種或至少兩種的組合，優選為聚乙二醇二縮水甘油醚，例如可以為聚乙二醇二縮水甘油醚和聚丙二醇二縮水甘油醚、聚乙二醇縮水甘油基十二烷基醚。