一种全固态锂-碘二次电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种全固态锂

【技术实现步骤摘要】
一种全固态锂
‑
碘二次电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种全固态锂
‑
碘二次电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]基于传统插层正极材料的锂离子电池已在日常生活中广泛应用，但是传统插层正极材料有限的比容量和昂贵的价格阻碍了其在大规模储能领域的进一步应用。近年来，具有高比容量（211 mAh g
‑1）、低成本、环境友好等优势的锂
‑
碘电池引起了研究人员的广泛关注。在基于有机电解液的锂
‑
碘电池中，多碘离子可溶解于电解液，提高碘正极的反应动力学。然而溶解于电解液中的多碘离子会不可控地迁移到负极侧与锂金属发生反应，导致严重的锂金属腐蚀和较低的库伦效率，这一现象被称为多碘离子的“穿梭效应”。为了解决这一问题，目前常用的方案是在正极侧使用碳材料吸附多碘离子，但由于碳材料和多碘离子间的相互作用较弱，该方案不能完全避免多碘离子在电解液中的穿梭。另外，有机电解液还面临着易燃、易泄漏、易挥发等缺点，给液态锂
‑
碘电池带来很大的安全隐患。
[0003]全固态锂
‑
碘电池采用只导锂离子的固态电解质，不仅可以从根本上规避多碘离子的穿梭问题，还能同时解决有机电解液带来的安全性问题。但是传统的全固态锂
‑
碘电池基于I2/I
‑
一步固相转化实现充放电，具有极为缓慢的电池反应动力学，无法实现可逆的充放电。另外，正极和固态电解质接触的固/固界面上接触面积有限，较大的界面阻抗阻碍了锂离子的传输，不利于实现较好性能的全固态锂
‑
碘二次电池。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于组合固态电解质的全固态锂
‑
碘二次电池及其制备方法。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种全固态锂
‑
碘二次电池，包括正极、组合固态电解质和负极，所述组合固态电解质设置在正极和锂金属负极之间；所述组合固态电解质从正极侧至锂金属负极侧由依次排列的第一聚合物类固态电解质层、陶瓷类固态电解质层和第二聚合物类固态电解质层组成；所述第一聚合物类固态电解质层和第二聚合物类固态电解质层由锂盐和聚合物制成。
[0006]进一步地，所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂、高氯酸锂、双氟磺酰亚胺锂、六氟磷锂、双乙二酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂或三氟甲磺酸锂中的一种或几种。
[0007]进一步地，所述聚合物为聚环氧乙烷、聚氧化丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。
[0008]进一步地，所述陶瓷类固态电解质层由Li
1.5
Al
0.5
Ge
1.5
(PO4)
3 (LAGP)、Li
3x
La
2/3x
TiO3(0<x<0.16)或Li
1+x
M
x
Ti2‑
x
(PO4)3（0≤x≤1，M=Al, Ga, In, Sc）中的一种或几种制成。
[0009]进一步地，所述正极由碘、碳材料、锂盐、聚合物和固态增塑剂制成。
[0010]更进一步地，所述碳材料为科琴黑（Ketjen Black）、乙炔黑、石墨、石墨烯、碳纳米管或Super P中的一种或几种；所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂、高氯酸锂、双氟磺酰亚胺锂、六氟磷锂、双乙二酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂或三氟甲磺酸锂中的一种或几种；所述聚合物为聚环氧乙烷、聚氧化丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种；所述固态增塑剂为丁二腈、[C2mpyr][FSI]、[C2mpyr][BF4]、[P
1,i4,i4,i4
][FSI]中的一种或几种。
[0011]上述全固态锂
‑
碘二次电池的制备方法，包括以下步骤：步骤1，分别制备第一聚合物类固态电解质层、陶瓷类固态电解质层和第二聚合物类固态电解质层，然后将其组合得到组合固态电解质；步骤2，制备固态碘正极；步骤3，将固态碘正极、组合固态电解质和锂金属负极组合，得到全固态锂
‑
碘二次电池。
[0012]本专利技术提供了一种组合固态电解质的设计方案，并将其应用于全固态锂
‑
碘二次电池体系中，在靠近正极侧采用了可溶多碘离子的聚合物类固态电解质，加快了固态碘正极的反应动力学，显著提升固态碘正极的充电可逆性；中间层采用了不可溶多碘离子的陶瓷类固态电解质，消除多碘离子的穿梭效应，提高了电池的库伦效率和循环稳定性；靠近负极侧采用了与锂金属兼容的聚合物类固态电解质，改善了锂负极与固态电解质的界面接触及稳定性。
[0013]本专利技术提供的组合固态电解质设计方案，实现了高充电可逆性、长循环寿命的全固态锂
‑
碘二次电池。
附图说明
[0014]图1是本专利技术设计的基于组合固态电解质的全固态锂
‑
碘二次电池结构示意图。其中：1为全固态碘正极，2为靠近正极侧的可溶多碘离子的聚合物类固态电解质，3为中间层不可溶多碘离子的陶瓷类固态电解质，4为靠近负极侧的与金属锂兼容的聚合物类固态电解质，5为锂金属负极。
[0015]图2是全固态碘正极的表征。（a）科琴黑，碘，碘
‑
科琴黑复合物的X射线衍射图；（b）碘和碘
‑
科琴黑复合物的热重曲线；（c）基于组合固态电解质、聚环氧乙烷（PEO）电解质、LAGP电解质的全固态锂
‑
碘电池的充放电曲线；（d）基于组合固态电解质的全固态锂
‑
碘电池的循环伏安曲线。
[0016]图3是电池循环后组合固态电解质的X射线光电子能谱图。（a）正极侧聚合物固态电解质；（b）负极侧聚合物电解质。
[0017]图4是基于组合固态电解质的全固态锂
‑
碘电池的电化学性能。（a）基于组合固态电解质的全固态锂
‑
碘电池的倍率性能；（b）基于组合固态电解质的全固态锂
‑
碘电池的长循环性能。
具体实施方式
[0018]如图1所示，本专利技术提供的组合固态电解质设计方案，包括靠近正极侧的可溶多碘离子的聚合物类固态电解质2、中间层不可溶多碘离子的陶瓷类固态电解质3、靠近负极侧的与金属锂兼容的聚合物类固态电解质4；并将其应用于全固态锂
‑
碘二次电池体系中，所述全固态锂
‑
碘二次电池包含固态碘正极1、组合固态电解质、锂金属负极5。
[0019]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但不应理解为对本专利技术的限制。在不背离本专利技术精神和实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全固态锂
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碘二次电池，其特征在于：包括碘正极、组合固态电解质和锂金属负极，所述组合固态电解质设置在碘正极和锂金属负极之间；所述组合固态电解质从碘正极侧至锂金属负极侧由依次排列的第一聚合物类固态电解质层、陶瓷类固态电解质层和第二聚合物类固态电解质层组成；所述第一聚合物类固态电解质层和第二聚合物类固态电解质层由锂盐和聚合物制成。2.根据权利要求1所述的全固态锂
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碘二次电池，其特征在于：所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂、高氯酸锂、双氟磺酰亚胺锂、六氟磷锂、双乙二酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂或三氟甲磺酸锂中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的全固态锂
‑
碘二次电池，其特征在于：所述聚合物为聚环氧乙烷、聚氧化丙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的全固态锂
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碘二次电池，其特征在于：所述陶瓷类固态电解质层由以下材料中的一种或几种制成：Li
1.5
Al
0.5
Ge
1.5
(PO4)3；Li
3x
La
2/3x
TiO3，其中0<x<0.16；Li
1+x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：何平，程铸，潘慧，周豪慎，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：