一种超薄固态电解质及其制备方法与流程

本发明涉及锂电池固态电解质材料领域，具体涉及一种超薄固态电解质及其制备方法。

背景技术：

1、固态锂电池由于其具有高能量密度和改善安全性的潜力，是很有前途的下一代储能设备。固态电解质作为电池的一个重要组成部分，其性能和物理参数对电化学性能和能量密度有很大影响。

2、近年来，厚的固态电解质已被广泛用于固态锂金属电池中，但在增加内阻、增加非活性材料含量、低的实际能量密度和较高的电池制造成本方面存在一些缺点。减少固态电解质的厚度对于开发高能量密度的锂金属固态电池具有重要意义。但目前薄型固态电解质很难兼顾其机械强度和锂离子传导性能，这对安全性和循环寿命提出了巨大挑战。

3、综上所述，现有技术的固态电解质不能满足需求，具备下述缺陷：超薄固态电解质是大势所趋，但是，在固态电解质厚度下降的同时，无法兼顾较佳的性能(机械强度和锂离子传导性能)。

4、因此，亟需提供一种超薄固态电解质，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、研制开发一种超薄固态电解质及其制备方法，该超薄固态电解质具备超薄属性，且兼顾较佳的性能(机械强度和锂离子传导性能)；

3、具体的：通过表面具有丰富负电荷的纳米填料与聚合物形成均匀结构提升了超薄固态电解质膜的机械强度，同时提升由于纳米填料表面丰富的负电荷，屏蔽了负离子的穿梭，固态聚合物电解质的电导率和锂离子迁移数得到了显著提高，再者，超薄机械柔性的基膜有利于高能量密度的发挥。

4、本发明的目的就是为了解决上述现有技术条件存在的问题，提供一种超薄固态电解质及其制备方法。

5、为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

6、一种超薄固态电解质，超薄固态电解质包括下述组分：

7、超薄的有机无机复合基膜、二元的导锂聚合物及锂盐组成。

8、作为本方案的进一步改进，超薄固态电解质的厚度为a，a＝0～5μm。

9、一种薄固态电解质的制备方法，包括下述制备步骤：

10、a.表面富含磺酸锂基团的无机多孔纳米颗粒的制备；

11、b.将聚偏氟乙烯-六氟丙烯与步骤a制得得锂化纳米颗粒在溶剂中搅拌，涂敷在衬底上，真空干燥，得到多孔有机无机复合基膜；

12、c.将锂盐、光引发剂，溶解在单体碳酸乙烯亚乙酯、聚乙二醇二丙烯酸酯的混合溶剂中，得到前体溶液；

13、d.将由步骤b得到的多孔有机无机复合基膜浸泡在c制备得到的前体溶液中，浸泡时间为0～24小时；

14、e.将d中浸泡过的膜置于紫外灯下进行固化，得到超薄固态电解质，紫外灯的波长为365nm，固化时间为1～10分钟。

15、作为本方案的进一步改进，所述步骤a中，表面富含磺酸锂基团的无机多孔纳米颗粒的制备步骤如下：

16、a1将表面接枝磺酸基的纳米颗粒分散在水中，再滴加含锂的碱性溶液至溶液中性；

17、a2控制温度的条件下，充分搅拌，蒸发去除溶剂，随后真空烘干，得到磺酸化的纳米颗粒，该磺酸化的纳米颗粒富含磺酸锂基团。

18、作为本方案的进一步改进，所述步骤a2中，磺酸化的纳米颗粒为磺酸化的多孔二氧化硅纳米颗粒、磺酸化的多孔氧化铝纳米颗粒中的任意一种或多种。

19、作为本方案的进一步改进，所述的步骤a1中含锂的碱性溶液为氢氧化锂水溶液、碳酸锂水溶液中的任意一种，搅拌温度为60～80℃。

20、作为本方案的进一步改进，步骤b中，所述锂化的纳米颗粒的含量为聚偏氟乙烯-六氟丙烯的0～30wt％；

21、所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮、丙酮中的任意一种或多种与水的混合溶液；

22、所述衬底为铝箔、不锈钢板、玻璃板中的任意一种。

23、作为本方案的进一步改进，步骤c中，聚乙二醇二丙烯酸酯/碳酸乙烯亚乙酯＝0～20wt％；

24、双三氟甲基磺酸亚酰胺锂/碳酸乙烯亚乙酯＝29～58wt％；

25、光引发剂是聚乙二醇二丙烯酸酯和碳酸乙烯亚乙酯总质量的0.5-5wt％。

26、作为本方案的进一步改进，步骤c中，锂盐为双三氟甲基磺酸亚酰胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂重的任意一种或多种。

27、作为本方案的进一步改进，步骤c中，所述的光引发剂是2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮。

28、与现有技术相比，本发明具备下述有益效果：

29、1)超薄电解质膜中通过有机与无机材料的均匀的结构，使其在具有超薄厚度的同时，能够兼顾出色的机械性能；

30、2)基膜是由柔性聚偏氟乙烯-六氟丙烯和锂化的功能化的纳米颗粒，组成的多孔有机/无机复合膜，在提供优异机械性能的同时，通过离子捕获和离子交换建立快速锂离子传输通道，从而实现高迁移率。

31、3)基于酯醚协同作用，定向选择了碳酸乙烯亚乙酯和聚乙二醇二丙烯酸酯共聚来改善聚合物电解质膜的锂离子传导性；

32、4)本发明最终制得的超薄固态电解质的电导率高于1.7×10-4s cm-1，迁移数超过0.6，机械性能优异(应力超过25mpa，应变大于50％)。

技术特征：

1.一种超薄固态电解质，其特征在于，超薄固态电解质包括下述组分：超薄的有机无机复合基膜、二元的导锂聚合物及锂盐组成。

2.根据权利要求1所述的超薄固态电解质，其特征在于，超薄固态电解质的厚度为a，a＝0～5μm。

3.一种权利要求1或2任意一项所述的超薄固态电解质的制备方法，其特征在于，包括下述制备步骤：

4.根据权利要求3所述的超薄固态电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，表面富含磺酸锂基团的无机多孔纳米颗粒的制备步骤如下：

5.根据权利要求4所述的超薄固态电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤a2中，磺酸化的纳米颗粒为磺酸化的多孔二氧化硅纳米颗粒、磺酸化的多孔氧化铝纳米颗粒中的任意一种或多种。

6.根据权利要求4所述的超薄固态电解质的制备方法，其特征在于，所述的步骤a1中含锂的碱性溶液为氢氧化锂水溶液、碳酸锂水溶液中的任意一种，搅拌温度为60～80℃。

7.根据权利要求3所述的超薄固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述锂化的纳米颗粒的含量为聚偏氟乙烯-六氟丙烯的0～30wt％；

8.根据权利要求3所述的超薄固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤c中，聚乙二醇二丙烯酸酯/碳酸乙烯亚乙酯＝0～20wt％；

9.根据权利要求3所述的超薄固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤c中，锂盐为双三氟甲基磺酸亚酰胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂重的任意一种或多种。

10.根据权利要求3所述的超薄固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤c中，所述的光引发剂是2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮。

技术总结
本发明公开了一种超薄固态电解质及其制备方法，超薄固态电解质的制备方法，包括下述制备步骤：表面富含磺酸锂基团的无机多孔纳米颗粒的制备；将聚偏氟乙烯‑六氟丙烯与锂化纳米颗粒在溶剂中搅拌，涂敷在衬底上，真空干燥，得到多孔有机无机复合基膜；将锂盐、光引发剂，溶解在单体碳酸乙烯亚乙酯、聚乙二醇二丙烯酸酯的混合溶剂中，得到前体溶液；将多孔有机无机复合基膜浸泡在c制备得到的前体溶液中，浸泡时间为0～24小时；将浸泡过的膜置于紫外灯下进行固化，得到超薄固态电解质，紫外灯的波长为365nm，固化时间为1～10分钟。该超薄固态电解质具备超薄属性，且兼顾较佳的性能(机械强度和锂离子传导性能)。

技术研发人员：袁帅,刘可歆,王竹仪,施利毅,蔡雪松,陶欢
受保护的技术使用者：浙江凤启新能源股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22