三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备及应用方法与流程

本发明属于电化学，具体涉及三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备及应用方法。

背景技术：

1、目前，固态锂金属电池的研究方兴未艾。传统的锂离子电池使用的是液态的有机电解质，虽然其具有较为良好的离子导电率，但存在严重的容易泄露、容易短路等安全问题，迫使人们寻找更加安全的电解质材料，固态电解质被广泛认为是从根本上解决锂离子电池安全问题的有效途径。peo基固态电解质以其较为优异的离子导电性能，廉价的成本和良好的柔韧性能，成为了目前为止研究最多的固态电解质材料之一。但是peo基固态电解质材料中peo结晶度比较高，离子导电性差，界面转移阻抗大，这限制了peo基固态电解质在全固态锂电池(asslbs)中的实际应用，特别是在常温工况下。

2、目前，提高peo基固态电解质材料的性能的方法主要包括：制备有机无机复合固态电解质材料、掺杂无机纳米材料，掺杂有机聚合物等。潘等（公开号：cn 101431154a）和徐等（公开号：cn 101378119a）通过不同方法对钛酸锂进行碳包覆，改进后的peo基固态电解质材料导电能力提高有限且对比容量保持不变。唐等（公开号：cn110212248a）通过导向冷冻的冰模板法制备了一种含有垂直阵列骨架的全固态聚合物电解质,在这种复合电解质中引入垂直排布的高强度的二维填料,在复合电解质中构建连续的填料-聚合物界面,形成连续贯通的高速锂离子传输路径，这种方法有效提升了固态电解质的锂离子传输电化学性能。

3、在优化固态电解质的固态电解含量工艺中，研究通常优先考虑具有最优的离子电导率，对于非离子导体的纳米颗粒填料在固态电解质中的浓度梯度的设计研究较为匮乏。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备及应用方法。该三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质针对性解决传统peo基固态电解质离子导电性、界面转移阻抗性能和离子迁移数性能较差的缺陷，具有盐的解离效率和锂离子传输效率高的特点，采用该固态电解质制备得到的常温全固态锂金属电池的放电容量和循环性能得到显著提升。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，包括：

3、提供含有氧化铈纳米颗粒的分散系a和含有氧化铈纳米颗粒的分散系b；所述含有氧化铈纳米颗粒的分散系a中，氧化铈纳米颗粒的浓度为1~7.5mg/ml，所述含有氧化铈纳米颗粒的分散系b中，氧化铈纳米颗粒的浓度为5~37.5mg/ml；

4、将含有氧化铈纳米颗粒的分散系a、聚环氧乙烷和双三氟甲烷磺酰亚胺锂混合，得到分散体系a；将含有氧化铈纳米颗粒的分散系b、聚环氧乙烷和双三氟甲烷磺酰亚胺锂混合，得到分散体系b；

5、将分散体系a涂抹至基板上，风干，干燥，得到第一层膜材料；

6、将分散体系b涂抹于第一层膜材料上，风干，干燥，完成第二层膜材料的叠加；

7、将分散体系a涂抹于第二层膜材料上，风干，干燥，完成第三层膜材料的叠加，得到三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质。

8、上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，含有氧化铈纳米颗粒的分散系a和含有氧化铈纳米颗粒的分散系b中的分散剂均为无水乙腈。

9、上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述氧化铈纳米颗粒的粒径为50 nm。

10、上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，获得含有氧化铈纳米颗粒的分散系a和含有氧化铈纳米颗粒的分散系b的方法均包括将氧化铈纳米颗粒置于分散剂中超声分散0.5~4h。

11、上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述分散体系a中，聚环氧乙烷、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和氧化铈纳米颗粒的质量比为600:394:8；所述分散体系b中，聚环氧乙烷、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和氧化铈纳米颗粒的质量比为600:394:300。

12、上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，获得分散体系a和分散体系b的方法均包括常温磁力搅拌8~12h，超声0.5~4h。

13、上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述聚环氧乙烷的平均分子量为60万；所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂中eo链段与锂离子的摩尔比为 10:1。

14、上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，第一层膜材料所用分散体系a、第二层膜材料所用分散体系b和第三层膜材料所用分散体系a的体积比为1:4:1。

15、上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述风干为常温自然风干，风干时间为2~8h；所述干燥的温度为60℃，干燥的时间为12~24h。

16、此外，本发明还提供一种应用上述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法制备得到的固态电解质的方法。

17、本发明与现有技术相比具有以下优点：

18、1、本发明的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，通过改进的溶解浇筑成膜技术将氧化铈纳米颗粒分阶段引入peo基固态电解质，充分发挥无机纳米颗粒的电正性位点的性能，吸附锂盐中tfsi负离子，具有锂盐的解离效率和锂离子传输效率高的特点。

19、2、本发明的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，包括分别制备含有氧化铈纳米颗粒、聚环氧乙烷和双三氟甲烷磺酰亚胺锂的分散体系a和分散体系b，以及按照分散体系a、分散体系b和分散体系a的顺序依次固化，得到在界面处具有高无机纳米颗粒浓度、固态电解质内部具有低无机纳米颗粒浓度的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质，可有效优化不同浓度下无机纳米颗粒的界面转移阻抗性能，赋予固态电解质以高的离子电导率和低的界面转移阻抗，应用该三明治固态电解质的全固态电池的宽温域循环性能得到显著提升。

20、3、采用本发明的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法制备得到的固态电解质可广泛应用于各种柔性全固态锂离子电池，特别是宽温域下的锂金属电池。

21、4、本发明的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法工艺简单，原理合理，采用该方法制备得到的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质可有效提高电动车辆动力装置的供电效率和安全性，具备广泛的应用推广基础。

22、下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，含有氧化铈纳米颗粒的分散系a和含有氧化铈纳米颗粒的分散系b中的分散剂均为无水乙腈。

3.根据权利要求1所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述氧化铈纳米颗粒的粒径为50 nm。

4.根据权利要求1所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，获得含有氧化铈纳米颗粒的分散系a和含有氧化铈纳米颗粒的分散系b的方法均包括将氧化铈纳米颗粒置于分散剂中超声分散0.5~4h。

5.根据权利要求1所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述分散体系a中，聚环氧乙烷、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和氧化铈纳米颗粒的质量比为600:394:8；所述分散体系b中，聚环氧乙烷、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和氧化铈纳米颗粒的质量比为600:394:300。

6.根据权利要求1所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，获得分散体系a和分散体系b的方法均包括常温磁力搅拌8~12h，超声0.5~4h。

7.根据权利要求1所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述聚环氧乙烷的平均分子量为60万；所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂中eo链段与锂离子的摩尔比为 10:1。

8.根据权利要求1所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，第一层膜材料所用分散体系a、第二层膜材料所用分散体系b和第三层膜材料所用分散体系a的体积比为1:4:1。

9.根据权利要求1所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述风干为常温自然风干，风干时间为2~8h；所述干燥的温度为60℃，干燥的时间为12~24h。

10.一种应用如权利要求1~9任一权利要求所述的三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备方法制备得到的固态电解质的方法。

技术总结
本发明公开了一种三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质的制备及应用，该制备方法包括：提供含有氧化铈纳米颗粒的分散系A和含有氧化铈纳米颗粒的分散系B；将含有氧化铈纳米颗粒的分散系A、聚环氧乙烷和双三氟甲烷磺酰亚胺锂混合，得到分散体系A；将含有氧化铈纳米颗粒的分散系B、聚环氧乙烷和双三氟甲烷磺酰亚胺锂混合，得到分散体系B；将分散体系A、分散体系B和分散体系A依次叠加固化，得到三明治结构掺杂无机纳米颗粒的固态电解质。该固态电解质具有盐的解离效率和锂离子传输效率高的特点，采用该固态电解质制备得到的常温全固态锂金属电池的放电容量和循环性能得到显著提升。

技术研发人员：谭杰文,王世明,唐伟,杨康,崔驾雾,张雨杉,张姣姣
受保护的技术使用者：高能数造（西安）技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16