【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于電池材料，具體涉及一種三維復合固態電解質膜及其制備方法和全固態鋰金屬電池。
技術介紹
1、在常規鋰離子電池里，液態電解質所含的有機溶劑具備易燃特性，一旦電池內部溫度上升或者出現短路狀況，這類有機溶劑便極易燃燒，進而引發火災，給人員的生命安全以及設備的正常運行帶來嚴重威脅。
2、常見的固態電解質分為聚合物電解質和氧化物電解質，其中聚合物電解質柔韌性較好、易成膜、制備工藝簡單，與電極間的界面浸潤性能良好，但其室溫離子電導率低，嚴重影響了電池的性能；氧化物電解質具有較高離子電導率，電化學窗口較寬，但其脆性較大，與極片間的界面接觸較差，嚴重限制了其實際應用。此外，固態電解質和正負極之間會發生嚴重的化學副反應，導致生成難以控制的厚界面層，并且界面阻抗急劇升高，影響電池整體電化學性能。
3、因此，如何進一步提高固態電解質的離子電導率和機械性能，同時抑制固態電解質和正負極之間的化學副反應，降低界面阻抗，從而提高電池的安全性能、循環性能和倍率性能，是亟待解決的技術問題。
技術實現思路
1、針對現有技術的不足，本專利技術的目的在于提供一種三維復合固態電解質膜及其制備方法和全固態鋰金屬電池。本專利技術設計的三維復合固態電解質膜中，均相凝膠緩沖層具有較高的機械強度和彈性模量，能夠防止鋰枝晶刺穿隔膜造成電池短路；多孔中間層可增加兩側膜層與電極之間的接觸面積，為鋰離子提供更多的傳輸通道，降低傳輸阻力，提高離子電導率，使電池能夠更快速地充放電，提升電池的倍率性能，同時還具
2、為達到此專利技術目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、第一方面，本專利技術提供一種三維復合固態電解質膜，包括層疊設置的均相凝膠緩沖層、多孔中間層和聚合物基底層。
4、本專利技術設計的三維復合固態電解質膜中，均相凝膠緩沖層具有較高的機械強度和彈性模量，其中鋰離子傳輸順暢，離子電導率較高，且其與鋰金屬負極直接接觸，當產生鋰枝晶時均相凝膠緩沖層的緩沖結構能夠對施加一定的阻力，限制鋰枝晶的生長和延伸，防止其刺穿隔膜造成電池短路；多孔中間層可以增加兩側膜層與電極之間的接觸面積，為鋰離子提供更多的傳輸通道，降低離子傳輸的阻力，從而提高離子電導率，使電池能夠更快速地充放電，提升電池的倍率性能，同時多孔中間層還具有優異的機械穩定性，這使得三維復合固態電解質膜在電池充放電過程中，能夠更好地承受電極材料的體積變化所產生的應力，減少膜的破裂和損壞風險，提高電池的循環壽命；聚合物基底層具有優異的機械強度和界面穩定性。因此，三膜層協同配合，能夠有效抑制三維復合固態電解質膜和正負極之間的化學副反應，降低界面阻抗，提高電池的整體電化學性能。
5、優選地，所述均相凝膠緩沖層的厚度為5-20μm，例如可以是5μm、10μm、15μm或20μm等，優選為5-15μm。
6、本專利技術中，適宜厚度的均相凝膠緩沖層具有較高的機械強度和彈性模量，離子電導率高，有助于限制枝晶的生長和延伸，防止其刺穿隔膜造成電池短路。
7、優選地，所述多孔中間層的厚度為10-30μm，例如可以是10μm、15μm、20μm、25μm或30μm等，優選為10-20μm。
8、本專利技術中，適宜厚度的多孔中間層可以為鋰離子提供更多的傳輸通道，降低離子傳輸的阻力，提高離子電導率，同時其還具有優異的機械穩定性，能夠更好地承受電極材料的體積變化所產生的應力，減少膜的破裂和損壞風險。
9、優選地，所述聚合物基底層的厚度為10-20μm，例如可以是10μm、15μm或20μm等，優選為10-15μm。
10、本專利技術中，適宜厚度的聚合物基底層具有優異的機械強度和界面穩定性，有助于提升整個復合固態電解質膜的整體結構穩固性，使其在使用過程中能夠更好地承受外界的壓力、拉力等機械作用，避免出現破裂、分層等情況。
11、優選地，所述均相凝膠緩沖層、多孔中間層和聚合物基底層的厚度比為(0.5-1):(0.6-1.5):1，其中，均相凝膠緩沖層的選擇范圍“0.5-1”例如可以是0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1等，多孔中間層的選擇范圍“0.6-1.5”例如可以是0.6、0.8、1、1.2或1.5等。
12、本專利技術中，適宜厚度比的均相凝膠緩沖層、多孔中間層和聚合物基底層協同配合，利用協同效應，極大地提高了三維復合固態電解質膜的離子電導率和機械性能，同時極大地抑制了三維復合固態電解質膜和正負極之間的化學副反應，降低界面阻抗，從而提高了電池的安全性能、循環性能和倍率性能。
13、優選地，所述均相凝膠緩沖層的制備原料包括聚合物、鋰鹽和離子液體。
14、優選地，所述聚合物包括聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(pegmea)、聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)、聚丙二醇甲醚丙烯酸酯(ppgmea)或聚丙二醇二丙烯酸酯(ppgda)中的任意一種或至少兩種的組合，優選為聚乙二醇甲醚丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯的組合。
15、本專利技術中，pegmea和pegda中的醚氧鍵可以與li+發生配位作用，增加li+在電解質中的遷移數，較高的li+遷移數意味著在充電過程中，更多的li+能夠快速地從正極遷移到負極，并在負極表面均勻地沉積，減少了鋰離子在局部的積累和濃差極化，進而降低了鋰枝晶生長的驅動力。同時，pegmea和pegda通過原位聚合形成的均勻的單相體系，具有較高的機械強度和彈性模量，鋰離子在其中的傳輸較為順暢，離子電導率相對較高。
16、優選地，所述鋰鹽包括硼酸鋰、六氟磷酸鋰、雙三氟甲基磺酰亞胺鋰、雙氟磺酰亞胺鋰、四氟硼酸鋰、二氟草酸硼酸鋰或二草酸硼酸鋰中的任意一種或至少兩種的組合。
17、優選地，所述離子液體包括1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(bmimpf6)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽或1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽中的任意一種或至少兩種的組合。
18、優選地，所述聚合物、鋰鹽和離子液體的質量比為(30-70):(5-20):(10-50)，其中，聚合物的選擇范圍“30-70”例如可以是30、40、50、60或70等，鋰鹽的選擇范圍“5-20”例如可以是5、10、15或20等，離子液體的選擇范圍“10-50”例如可以是10、20、30、40或50等。
19、優選地，所述多孔中間層的材料包括多孔鋰快離子導體材料和導電劑。
20、本專利技術中，多孔鋰快離子導體材料是指內部具有大量孔隙結構的，能夠快速傳輸鋰離子的一類材料。其孔隙大小、形狀和分布等會因材料的制備方法和條件而異，這些孔隙為鋰離子的遷移提供了額外的通道和空間，使得鋰離子能夠在材料中更加快速地移動，從而提高材料的離子電導率。
21、優選地，所述多孔中間層的孔隙率為3本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種三維復合固態電解質膜，其特征在于，包括層疊設置的均相凝膠緩沖層、多孔中間層和聚合物基底層。
2.根據權利要求1所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述均相凝膠緩沖層的厚度為5-20μm，優選為5-15μm；
3.根據權利要求1或2所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述均相凝膠緩沖層的制備原料包括聚合物、鋰鹽和離子液體；
4.根據權利要求1-3任一項所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述多孔中間層的材料包括多孔鋰快離子導體材料和導電劑；
5.根據權利要求1-4任一項所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述聚合物基底層的材料包括聚碳酸酯和納米纖維材料；
6.根據權利要求1-5任一項所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述三維復合固態電解質膜的厚度為25-70μm；
7.一種如權利要求1-6任一項所述的三維復合固態電解質膜的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述聚合物基底層的沉積方法包括以下步驟：
10.一種全固態鋰金屬電池，其特征在于，所述全固態鋰金屬電池包括正極片、負極片以及位于正極片和負極片之間的權利要求1-6任一項所述的三維復合固態電解質膜；
...【技術特征摘要】
1.一種三維復合固態電解質膜，其特征在于，包括層疊設置的均相凝膠緩沖層、多孔中間層和聚合物基底層。
2.根據權利要求1所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述均相凝膠緩沖層的厚度為5-20μm，優選為5-15μm；
3.根據權利要求1或2所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述均相凝膠緩沖層的制備原料包括聚合物、鋰鹽和離子液體；
4.根據權利要求1-3任一項所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述多孔中間層的材料包括多孔鋰快離子導體材料和導電劑；
5.根據權利要求1-4任一項所述的三維復合固態電解質膜，其特征在于，所述聚合物基底層的材料包括聚碳酸酯和納米...
【專利技術屬性】
技術研發人員：簡樂，谷佳禧，謝新泰，楊文，郭建偉，
申請(專利權)人：廣東國光電子有限公司，
類型：發明
國別省市：
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