[發(fā)明專利]一種用于柔性鋰電池的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211681446.6
• 申請(qǐng)日: 2022-12-27
• 公開（公告）號(hào): CN115911517A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃永鑫;高圣鈺;陳人杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/056
• 分類號(hào): H01M10/056;H01M10/052
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明是一種用于柔性鋰電池的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)。通過靜電紡絲法制備Lisubgt;6.5/subgt;Lasubgt;3/subgt;Zrsubgt;1.5/subgt;Nbsubgt;0.5/subgt;Osubgt;12/subgt;(LLZNO)納米纖維膜，高溫?zé)Y(jié)后得到LLZNO無機(jī)陶瓷纖維填料；將PEO與乙腈、LiTFSI、硅烷偶聯(lián)劑混合得到聚合物基體溶液；通過將LLZNO纖維均勻分散在聚合物基體溶液中，澆筑到聚四氟乙烯平板上干燥得到柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。依據(jù)此技術(shù)制造的柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)具有“Ceramic?in?polymer”結(jié)構(gòu)，在保證電解質(zhì)具有良好柔性的同時(shí)提升電導(dǎo)率；同時(shí)用靜電紡絲技術(shù)制成的LLZNO納米陶瓷纖維具有定向排列的短線形結(jié)構(gòu)，提供的Lisupgt;+/supgt;傳輸通道可以有效提高電解質(zhì)性能；硅烷偶聯(lián)劑的添加可以將無機(jī)相與有機(jī)相通過化學(xué)鍵結(jié)合，解決了無機(jī)?有機(jī)界面接觸性及兩相之間不相容的問題，起到性能優(yōu)化和增加機(jī)械強(qiáng)度的作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰金屬電池領(lǐng)域，尤其涉及一種柔性固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計(jì)方法，及固態(tài)鋰電池制備。

背景技術(shù)

二十一世紀(jì)以來，隨著化石能源的不斷消耗，傳統(tǒng)能源已無法滿足人類對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能及可持續(xù)發(fā)展的需求。鋰離子電池作為一種新型儲(chǔ)能器件，已廣泛應(yīng)用于新能源汽車、可移動(dòng)電子設(shè)備、大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域。目前，商業(yè)化鋰離子電池已接近能量密度極限，而固態(tài)電解質(zhì)采用固態(tài)電解質(zhì)代替易燃的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，可以適配鋰金屬負(fù)極，在提升安全性的同時(shí)兼顧電池的能量密度；因此，固態(tài)鋰電池在儲(chǔ)能及電子設(shè)備上有著廣闊的應(yīng)用前景。

可穿戴傳感器、可折疊顯示屏、可穿戴電子設(shè)備等已經(jīng)深入人們的生活，引發(fā)了人們對(duì)于柔性鋰電池的強(qiáng)烈需求。除了傳統(tǒng)鋰電池的性能要求，柔性鋰電池還要具有柔韌性和良好的變形能力，包括彎曲性、拉伸性和折疊性等。以聚環(huán)氧乙烷(PEO)為基體的聚合物電解質(zhì)的醚基重復(fù)單元具有良好的鋰離子傳輸能力，同時(shí)，由于其柔韌性高、與鋰金屬相容性好，PEO基聚合物電解質(zhì)被認(rèn)為是最有實(shí)際應(yīng)用潛力的固態(tài)聚合物電解質(zhì)。

石榴石型Li_6.5La₃Zr_1.5Nb_0.5O₁₂(LLZNO)電解質(zhì)是一種無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，具有室溫離子電導(dǎo)率高、電化學(xué)窗口寬、對(duì)鋰穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，有著良好的發(fā)展前景；但因其柔韌性低不適用于柔性電池。聚環(huán)氧乙烷(PEO)作為聚合物固態(tài)電解質(zhì)，質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好，適用于柔性電解質(zhì)，但其電導(dǎo)率較低(10^-6～10^-7S/cm)。為進(jìn)一步提升聚合物固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率，同時(shí)保證電解質(zhì)的柔韌性，本設(shè)計(jì)采用向PEO材料中加入無機(jī)陶瓷纖維填料的方式，制備出具有“Ceramic-in-polymer”結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)。無機(jī)纖維填料的摻入能增加Li⁺的傳輸方式和傳輸通道，提升固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度，從而在保持柔性結(jié)構(gòu)的同時(shí)提升電導(dǎo)率。LLZNO陶瓷纖維填料采用靜電紡絲法制備得到，以一種短線形結(jié)構(gòu)存在，有利于電解質(zhì)性能的提升。

硅烷偶聯(lián)劑可以使無機(jī)相與有機(jī)相通過化學(xué)鍵連接起來，為鋰離子提供了一條高速傳輸通道。將其與聚合物基體溶液混合后與無機(jī)陶瓷顆粒復(fù)合，可以改善固態(tài)電解質(zhì)中無機(jī)-有機(jī)界面不相容的問題，改善電解質(zhì)的電導(dǎo)率和機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種柔性固態(tài)電解質(zhì)的制備方法、以及使用該種復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的鋰金屬電池，可以在滿足柔韌性的同時(shí)提升復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，增強(qiáng)其綜合性能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的解決方案：

柔性鋰電池的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)制備方法，包括LLZNO陶瓷纖維、PEO、鋰鹽、LiTFSI與硅烷偶聯(lián)劑的復(fù)合，步驟如下：

步驟1：通過配置好的靜電紡絲前體溶液電紡得到LLZNO納米纖維膜；

步驟2：在馬弗爐中高溫?zé)Y(jié)，得到LLZNO無機(jī)陶瓷纖維填料；