一种基于柔性包覆多层凹陷结构的准固态电解质

本发明涉及固态电池，具体而言，涉及一种基于柔性包覆多层凹陷结构的准固态电解质及其制备方法与应用。

背景技术：

1、电动汽车和大型储能设备的增加提高了对下一代高能量密度二次电池的需求。锂金属电池具有超高的理论容量，因而成为下一代可充电电池的有前途的候选者。然而，锂金属电池循环过程中锂沉积不均匀导致的锂枝晶问题，以及传统液体电解质体系存在的泄漏和热失控等问题，使得锂金属电池的应用面临诸多挑战。与传统的液体电解质相比，固态电解质具有高能量密度、卓越的稳定性和增强的安全性。一般来说，固体电解质可分为无机固态电解质和聚合物固态电解质。然而，无机固态电解质的界面阻力大，脆性强，聚合物固态电解质的离子电导率低等问题限制了它们的实际应用。另一方面，液体电解质尽管存在易燃、锂枝晶生长和易分解等缺点，但却具有高离子导电性的优点。

2、因此，研究人员开发了由固体和少量液体电解质组成的准固态电解质。准固态电解质结合了液态和固态电解质的优点，为提高安全性和电化学性能提供了一条有前途的途径。目前，为了满足未来的储能需求，关键是创造具有足够机械强度、高离子电导率和优异界面性能的高性能准固态电解质。然而，实现这种高性能的准固态电解质是一个艰巨的挑战。因此，为了提高锂金属电池的安全性和电化学性能，有效优化准固态电解质的整体性能成为一个关键问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质及其应用，通过多层凹陷结构的快速传质能力和表面包覆的柔性材料丰富的基团对锂离子传导能力的双重提升，以及表面包覆的柔性材料的共形能力对界面阻抗的降低，制备出具有高离子电导率、高锂离子迁移数、优异的界面性质、对锂枝晶的生长有抑制作用的准固态电解质。

2、所述准固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、(1)通过表面活性剂诱导获得多层凹陷结构材料作为骨架；

4、可选地，所述多层凹陷结构材料包括二氧化硅，二氧化钛，三氧化二铝，蒙脱石、埃洛石、沸石中的至少一种。

5、可选地，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵，11-巯基十一烷酸，十二烷基硫酸钠，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。

6、(2)获得柔性材料包覆的多层凹陷结构；

7、可选地，所述柔性材料包括聚多巴胺，壳聚糖，透明质酸，明胶，葡聚糖中的至少一种。

8、(3)将所述柔性材料包覆的多层凹陷结构与聚合物混合成膜，将薄膜浸泡在锂盐与有机溶剂的混合液中，之后取出干燥，得到所述柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质。

9、可选地，所述聚合物包括聚四氟乙烯，聚偏二氟乙烯，聚偏氟乙烯-六氟丙烯，聚氧化乙烯，聚丙烯腈，聚氯乙烯中的至少一种。

10、可选地，所述锂盐包括高氯酸锂、六氟磷酸锂、三氟甲基磺酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂中的至少一种。可选地，所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚、二氧戊环中的至少一种。

11、相对于现有技术，本发明具有以下优势：

12、(1)本发明提供的柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质，多层凹陷结构具有更紧密的堆积排列，使得离子输运距离更短，有助于锂离子的高效传输，而表面包覆的柔性材料有利于电解质表面与电极共形，建立了连续的电极/电解质界面，极大降低界面阻抗，并且表面包覆的柔性材料具有丰富的基团，进一步提升了锂离子电导率。

13、(2)本发明提供制备方法过程简单、绿色环保、成本低廉且易于规模化生产，制备的柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质具有形貌一致、厚度可控等优点。

14、(3)本发明提高了准固态电解质抑制锂枝晶的能力，从而有效提高了固态电池的安全性。

15、(3)本发明提供的柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质应用于锂电池时，展现出优异的循环性能。

技术特征：

1.一种柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵，11-巯基十一烷酸，十二烷基硫酸钠，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，十二烷基苯磺酸钠中的至少一种；所述多层凹陷结构材料包括二氧化硅，二氧化钛，三氧化二铝，蒙脱石、埃洛石、沸石中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柔性材料包括聚多巴胺，壳聚糖，透明质酸，明胶，葡聚糖中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述锂盐包括高氯酸锂、六氟磷酸锂、三氟甲基磺酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂中的至少一种；所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚、二氧戊环中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述聚合物包括聚四氟乙烯，聚偏二氟乙烯，聚偏氟乙烯-六氟丙烯，聚氧化乙烯，聚丙烯腈，聚氯乙烯中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的锂盐与有机溶剂的溶液，其特征在于，所述溶液中锂盐浓度为0.5m～2m，优选为1m。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述柔性包覆的多层凹陷结构与聚合物的质量比在1:1至20:1范围内，优选为9:1。

8.一种柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质的制备方法制得。

9.根据权利要求8所述的柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质，其特征在于，所述柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质的厚度在50μm至300μm范围内。

10.一种如权利8或9所述的柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质在固态锂电池中的应用。

技术总结本发明属于固态电解质的技术领域，具体涉及一种柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质及其应用，其制备包括如下步骤：制备多层凹陷结构作为骨架；将柔性材料原位包覆在多层凹陷结构外侧；将柔性材料包覆的多层凹陷结构与聚合物混合成膜，浸泡在锂盐和有机溶剂的溶液中，氩气气氛下干燥后得到柔性包覆多层凹陷结构基准固态电解质。本发明所述的柔性包覆多层凹陷结构，多层凹陷结构具有更紧密的堆积排列，使得离子输运距离更短，有助于锂离子的高效传输，并提供足够的机械强度；而柔性材料有利于电解质与电极表面共形，从而可以改善界面之间的接触，并且所选柔性材料具有丰富的基团，提供了丰富的锂离子迁移途径，有助于获得高比能和高安全性的固态锂金属电池。技术研发人员：李丽,刘子欣,吴锋,陈人杰受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4