一种固态电解质及其制备方法和应用

本发明涉及电池，特别是涉及一种固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着电池技术提升、油价持续高企，新能源汽车渗透率节节攀升。然而在庞大的需求面前，传统液态锂电池在能量密度、安全性等方面正在接近天花板。对此，业内普遍认为固态电池以其高安全性、高比能量的技术优势将成为下一个万亿级的超级赛道，也是电池技术的终级解决方案。

2、固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池。从产品构成及工作原理来看，传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。固态电池则是使用固体电解质，替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。固态锂电池与传统锂电池的区别在于电池的电解质为固态，即锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。随着正极材料的持续升级，固态电解质能够做出较好的适配，有利于提升电池系统的能量密度。此外，固态电解质的绝缘性使其能够充当隔膜的功能，可以良好地将电池正极与负极阻隔，避免产生短路。

3、固态电解质主要分为无机固态电解质和聚合物固态电解质。无机固态电解质虽然室温离子电导率较高，机械强度优异，但是界面兼容性差，界面阻抗较大，化学稳定性以及对锂电化学稳定性差。聚合物固态电解质一般是由金属盐和极性高分子络合而成，这一固态电解质有着较高的安全性，且其力学表现更加柔顺，还有黏弹性和易成膜等优点，被认为是最具潜力的电解质之一。

4、目前对聚合物电解质研究最多、应用最广泛的是聚氧化乙烯(peo)类聚合物电解质，其导电过程主要是li+不断地与peo链上的醚氧基发生络合﹣解络合，通过peo的链段运动实现li+迁移。因此，决定peo基聚合物电解质离子电导率的是自由li+的数量和peo链段的运动能力。但由于室温条件下peo容易结晶，且在无定形相中锂盐的溶解度较低，载流子浓度低，锂离子迁移数小，因此，室温条件下peo基电解质的离子电导率仅为10-7s/cm。可以采用共混、共聚和交联等方法对peo基体进行改性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种固态电解质及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题，旨在综合无机固态电解质和聚合物固态电解质的优势，提高纯聚合物固态电解质的离子电导率、机械性能以及循环性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明技术方案之一：提供一种固态电解质，由聚合物基底、锂盐和离子液体接枝的锂皂石复合得到。

4、进一步地，所述离子液体为1-甲基-3-三甲氧基硅烷咪唑氯盐。

5、进一步地，所述聚合物基底为peo；所述锂盐为litfsi；所述离子液体接枝的锂皂石结构式为：

6、

7、其中，l为锂皂石。

8、进一步地，所述离子液体接枝的锂皂石为所述聚合物基底和锂盐质量总和的0～30％。

9、进一步地，所述peo和litfsi的摩尔比为13﹕1。

10、本发明技术方案之二：提供上述固态电解质的制备方法，包括以下步骤：

11、(1)将锂皂石制备成水分散液，然后与所述离子液体的有机溶液在50℃下混合反应，反应结束后，洗涤，之后与锂盐混合，得到所述离子液体接枝的锂皂石；

12、(2)将所述离子液体接枝的锂皂石与聚合物基体、锂盐和有机溶剂混合，得到电解质浆料；

13、(3)将所述电解质浆料进行浇筑、干燥，得到所述固态电解质。

14、进一步地，步骤(1)混合反应时间为16h。

15、进一步地，步骤(3)干燥温度为40℃，时间为12h。

16、本发明将聚合物基底、锂盐和离子液体接枝的锂皂石于溶剂中混合，能够实现含锂盐的聚合物材料均匀包覆在离子液体接枝的锂皂石无机颗粒周围，形成连续的柔性有机-无机复合框架。

17、本发明技术方案之三：提供上述固态电解质在固态锂离子电池中的应用。

18、本发明技术方案之四：提供一种固态锂离子电池，电解质为上述固态电解质。

19、本发明公开了以下技术效果：

20、本发明提供的固态电解质稳定性好、离子电导率高，具有高迁移数、界面相容性好，表现出对锂金属负极的优异稳定性，能有效抑制锂枝晶的生长，可使固态电池展现出良好的电化学性能等优点。采用该固态电解质制得的固态锂电池的放电比容量较高，循环500圈后依然具有较高的容量保持率，可达93.3％。

技术特征：

1.一种固态电解质，其特征在于，由聚合物基底、锂盐和离子液体接枝的锂皂石复合得到。

2.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述离子液体为1-甲基-3-三甲氧基硅烷咪唑氯盐。

3.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述聚合物基底为peo；所述锂盐为litfsi；所述离子液体接枝的锂皂石结构式为：

4.根据权利要求3所述的固态电解质，其特征在于，所述离子液体接枝的锂皂石为所述聚合物基底和锂盐质量总和的0～30％。

5.根据权利要求3所述的固态电解质，其特征在于，所述peo和litfsi的摩尔比为13﹕1。

6.如权利要求1-5任一项所述固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)混合反应时间为16h。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)干燥温度为40℃，时间为12h。

9.如权利要求1-5任一项所述固态电解质在固态锂离子电池中的应用。

10.一种固态锂离子电池，其特征在于，电解质为权利要求1-5任一项所述的固态电解质。

技术总结
本发明公开了一种固态电解质及其制备方法和应用，涉及电池技术领域。该固态电解质由聚合物基底、锂盐和离子液体接枝的锂皂石复合得到。本发明将聚合物基底、锂盐和离子液体接枝的锂皂石于溶剂中混合，能够实现含锂盐的聚合物材料均匀包覆在离子液体接枝的锂皂石无机颗粒周围，形成连续的柔性有机‑无机复合框架。本发明提供的固态电解质稳定性好、离子电导率高，具有高迁移数、界面相容性好，表现出对锂金属负极的优异稳定性，能有效抑制锂枝晶的生长，可使固态电池展现出良好的电化学性能等优点。

技术研发人员：金碧玉,荆旭龙,万超,许立信
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13