一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池制造技术

本发明专利技术涉及一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池，属于离子电池制备技术领域。聚合固体电解质的制备方法为将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，得到电解质前驱体；将该电解质前驱体进行引发，即得到聚合固体电解质。将电解质前驱体滴在正极上，然后在所述电解质前驱体上覆盖负极，再进行引发，电解质前驱体固化后，即得到原位组装全固态电池。该固体电解质的室温电导率达到1.6×10

Polymer organic inorganic composite solid electrolyte and all solid state battery assembled in situ

The invention relates to a polymerized organic-inorganic composite solid electrolyte and an all solid state battery assembled in situ, belonging to the technical field of ion battery preparation. The preparation method of polymer solid electrolyte is to mix polymer monomer and cross-linking agent, then add electrolyte salt and initiator to obtain electrolyte precursor, and then initiate the electrolyte precursor to obtain polymer solid electrolyte. The electrolyte precursor is dripped on the positive electrode, then covered with the negative electrode on the electrolyte precursor, and then initiated. After the electrolyte precursor solidifies, the in-situ assembled all solid state battery is obtained. The room temperature conductivity of the solid electrolyte is 1.6 \u00d7 10

【技术实现步骤摘要】
一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池
本专利技术属于离子电池制备
，更具体地，涉及一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池。
技术介绍
锂离子电池作为一种新型的储能装置广泛应用移动电子设备和电动汽车等领域。目前，传统的商业锂离子电池主要采用液体有机电解质，因此易造成燃烧，泄露等严重的安全问题。同时液体电解质的稳定性差，电化学窗口窄，导致其能量密度较低。与液态电解质相比，固体电解质具有更高的安全性和热稳定性。同时固体电解质对金属锂稳定，能很好地抑制锂枝晶的生长。此外，固体电解质具有更宽的电化学窗口，能很好地应用于高电压的锂金属电池，从而进一步提高锂离子电池的能量密度。目前固体电解质主要分为两种，即无机陶瓷质电解质和有机聚合物电解质。一般来说，陶瓷电解质具有更好的锂离子电导率和迁移数，并且电化学稳定性更好。然而，陶瓷的脆性增加了其加工难度。更重要的是，电解质和电极之间巨大的界面电阻几乎是固态电池难以逾越的鸿沟。聚合物电解质的界面电阻较小，且易于加工成型，适合大规模生产。但是聚合物电解质的电化学稳定性较差，而且离子电导率和迁移数均较低。因此，有机-无机复合电解质似乎成了最佳的选择。复合电解质以聚合物为基质，具有很好的柔性。而通过添加无机电解质颗粒，可以有效地提高其离子电导率和电化学稳定性。目前，研究最多的是聚环氧乙烯(PEO)基固体复合电解质。然而PEO的氧化电位小于4V，导致其电化学窗口较窄，难以适用于高电压正极材料。具有交联结构的聚合物电解质有很好的化学稳定性，但是其合成手段繁复，或是引入了有毒的有机溶剂，或是对外环境要求较高。尽管如此，由于固体电解质或电极材料表面存在缺陷，界面电阻的问题仍然亟待解决。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中聚合物固体电解质电导率低和全固态电池界面电阻大的问题，本专利技术提出了一种聚合有机无机复合固体电解质及原位组装全固态电池。通过将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，得到电解质前驱体；将该电解质前驱体进行加热，或者进行紫外光辐射，使所述引发剂引发所述聚合物单体和交联剂发生交联聚合反应形成聚合物，即得到聚合固体电解质。本专利技术所制备的聚合物复合固体电解质离子电导率具有较大的提升，并且利用原位聚合技术所组装的全固态电池的界面电阻也大为降低，从而表现出更加优异的电池性能。按照本专利技术的第一方面，提供了一种聚合固体电解质的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，完全溶解后，得到电解质前驱体；(2)将步骤(1)得到的电解质前驱体进行加热，或者进行紫外光辐射，使所述引发剂引发所述聚合物单体和交联剂发生交联聚合反应形成聚合物，即得到聚合固体电解质。优选地，所述步骤(1)中电解质盐和引发剂完全溶解后，还包括加入无机陶瓷填料的步骤，所述无机陶瓷填料用于提高所述电解质盐的导电性和稳定性。优选地，所述加热的温度为60℃-100℃，加热的时间为60s-120s；所述紫外光的功率为50mW/cm2-2000mW/cm2，辐射的时间为60s-120s；所述电解质盐为锂盐、钠盐、钾盐或锌盐；所述聚合物单体为聚乙二醇二甲基丙烯酸酯或聚乙二醇二丙烯酸酯；所述交联剂为四甘醇二丙烯酸酯；所述引发剂为热引发剂或光引发剂；优选地，热引发剂为偶氮二异丁腈，光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮。优选地，所述电解质盐在电解质前驱体中的浓度为0.5mol/L-2mol/L；所述聚合物单体与交联剂的质量比为(12-19)：(1-8)；所述引发剂的质量为聚合物单体和交联剂质量之和的1％-5％；所述无机陶瓷填料的质量小于等于聚合物单体和交联剂质量之和的20％；所述无机陶瓷填料为掺杂金属离子的锆酸镧锂纳米颗粒，所述金属离子为镓离子、钕离子、钽离子或铌离子。按照本专利技术的另一方面，提供了任一所述的方法制备得到的聚合固体电解质。按照本专利技术的另一方面，提供了一种原位组装全固态电池的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，完全溶解后，得到电解质前驱体；(2)将步骤(1)得到的电解质前驱体滴在正极上，然后在所述电解质前驱体上覆盖负极，再进行加热，或者进行紫外光辐射，使所述引发剂引发所述聚合物单体和交联剂发生交联聚合反应形成聚合物，电解质前驱体固化后，即得到原位组装全固态电池。优选地，所述步骤(1)中电解质盐和引发剂完全溶解后，还包括加入无机陶瓷填料的步骤，所述无机陶瓷填料用于提高所述电解质盐的导电性和稳定性。优选地，所述加热的温度为60℃-100℃，加热的时间为60s-120s；所述紫外光的功率为50mW/cm2-2000mW/cm2，辐射的时间为60s-120s；所述电解质盐为锂盐、钠盐、钾盐或锌盐；所述聚合物单体为聚乙二醇二甲基丙烯酸酯或聚乙二醇二丙烯酸酯；所述交联剂为四甘醇二丙烯酸酯；所述引发剂为热引发剂或光引发剂；优选地，热引发剂为偶氮二异丁腈，光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮。优选地，所述电解质盐在电解质前驱体中的浓度为0.5mol/L-2mol/L；所述聚合物单体与交联剂的质量比为(12-19)：(1-8)；所述引发剂的质量为聚合物单体和交联剂质量之和的1％-5％；所述无机陶瓷填料的质量小于等于聚合物单体和交联剂质量之和的20％；所述无机陶瓷填料为掺杂金属离子的锆酸镧锂纳米颗粒，所述金属离子为镓离子、钕离子、钽离子或铌离子。按照本专利技术的另一方面，提供了任一所述方法制备得到的原位组装全固态电池。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：(1)本专利技术提供了一种原位聚合制备固体复合电解质和组装全固态锂离子电池的技术。利用液态前驱体的流动性和对电极材料良好的润湿性，可以减少因固体-固体接触导致的缺陷和缝隙，增加界面接触的紧密性，从而达到降低界面电阻的目的。(2)本专利技术利用原位技术，直接在正负极之间固化，利用液态前驱体的流动性和对电极的润湿性，减少因固体-固体接触导致的缺陷和缝隙，增加界面接触的紧密性，从而有效的降低了界面电阻。(界面电阻减少至非原位技术的二分之一)。(3)本专利技术引入交联剂，构建的具有交联结构的复合物电解质，使聚合物的结晶度进一步降低，从而大大增加了复合电解质的锂离子电导率。另外，交联结构能增加聚合物链段之间的作用，可有效提高该复合电解质的机械强度和热稳定性，保证了在全固态电池组装过程中的可靠性，同时也提高了该复合电解质抑制锂枝晶生长的能力，保证了全固态电池在使用过程中的安全性。(4)本专利技术所提出的原位聚合工艺简单，设备要求低(只需要搅拌设备和热源/紫外光源)，聚合时间短(<90s)，聚合温度(<100℃)或是紫外光功率(<200W)低，具有设备投入低，生产周期短，能耗要求小的特点。本专利技术使用其他离子电池中的电解质盐和活性填料，该聚合同样可适用于其他离子电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合固体电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，完全溶解后，得到电解质前驱体；/n(2)将步骤(1)得到的电解质前驱体进行加热，或者进行紫外光辐射，使所述引发剂引发所述聚合物单体和交联剂发生交联聚合反应形成聚合物，即得到聚合固体电解质。/n

【技术特征摘要】
1.一种聚合固体电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚合物单体和交联剂充分混匀后，再加入电解质盐和引发剂，完全溶解后，得到电解质前驱体；
(2)将步骤(1)得到的电解质前驱体进行加热，或者进行紫外光辐射，使所述引发剂引发所述聚合物单体和交联剂发生交联聚合反应形成聚合物，即得到聚合固体电解质。


2.如权利要求1所述的聚合固体电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中电解质盐和引发剂完全溶解后，还包括加入无机陶瓷填料的步骤，所述无机陶瓷填料用于提高所述电解质盐的导电性和稳定性。


3.如权利要求1所述的聚合固体电解质的制备方法，其特征在于，所述加热的温度为60℃-100℃，加热的时间为60s-120s；所述紫外光的功率为50mW/cm2-2000mW/cm2，辐射的时间为60s-120s；
所述电解质盐为锂盐、钠盐、钾盐或锌盐；所述聚合物单体为聚乙二醇二甲基丙烯酸酯或聚乙二醇二丙烯酸酯；所述交联剂为四甘醇二丙烯酸酯；所述引发剂为热引发剂或光引发剂；
优选地，热引发剂为偶氮二异丁腈，光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮。


4.如权利要求2所述的聚合固体电解质的制备方法，其特征在于，所述电解质盐在电解质前驱体中的浓度为0.5mol/L-2mol/L；所述聚合物单体与交联剂的质量比为(12-19)：(1-8)；所述引发剂的质量为聚合物单体和交联剂质量之和的1％-5％；所述无机陶瓷填料的质量小于等于聚合物单体和交联剂质量之和的20％；
所述无机陶瓷填料为掺杂金属离子的锆酸镧锂纳米颗粒，所述金属离子为镓离子、钕离子、钽离子或铌离子。


5.如权利要求1-4任一所述的方法制备得到的聚合固体电解质。


6.一种原位组装全固态电池的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭新，李卓，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42