CN113078351A - 一种固态电解质、其制备方法和固态电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固态电解质、其制备方法和固态电池,所述固态电解质包括蛋白质材料、聚合物材料和离子导体;其中,所述离子导体包括无机填料、锂盐、镁盐、钠盐中的至少一种。本发明在固态电解质的配方中添加蛋白质可以抑制锂枝晶生长;在配方中添加了聚合物材料,所述聚合物材料具有很好的柔韧性和很高的拉伸强度;在配方中添加离子导体,其中所述离子导体包括无机填料、锂盐、镁盐、钠盐中的至少一种。将可抑制锂枝晶生长的蛋白质材料、具有较高室温离子电导率的离子导体与聚合物材料复合,可以保证固态电解质产品整体的柔韧性、较高的室温离子电导率以及无枝晶的优异电池循环性能。

Description

一种固态电解质、其制备方法和固态电池
技术领域
本发明涉及电化学储能电池技术领域,具体涉及一种固态电解质、其制备方法和固态电池。
背景技术
固态电池由于具有较好的安全性能,被视为下一代锂离子电池,未来将会取代液态锂离子电池,在消费类产品中具有引发革命性变革的能力,在新能源汽车上具有大规模应用的前景。
锂金属材料的使用是固态电池提升能量密度的关键。然而,锂枝晶不可控生长而导致的安全问题极大限制了锂金属负极的实际应用。另一方面,固态电解质与电极之间固固接触的问题和高的界面阻抗问题都是需要解决的重点问题。目前,有技术使用无机陶瓷固态电解质作为固态电池的锂离子传导解质,然而,锂枝晶的不规则生长会沿无机材料的晶界或相界面处进行,最后使锂金属与正极材料短路。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种固态电解质、其制备方法和固态电池,本发明对固态电解质的组分进行了全新地设计,通过添加蛋白质材料得到了可抑制锂金属表面锂枝晶的生长、具有良好的界面稳定性和接触性能、并具有良好的离子电导率和机械性能的固态电解质。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种固态电解质,所述固态电解质包括蛋白质材料、聚合物材料和离子导体;其中,所述离子导体包括无机填料、锂盐、镁盐、钠盐中的至少一种。
进一步地,所述蛋白质材料包括丝素蛋白、纤维蛋白、血纤蛋白。
进一步地,所述聚合物材料包括聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、海藻酸钠和纤维素中的至少一种;和/或
所述无机填料为无机陶瓷材料,包括Li7La3Zr2O12、Li6.28La3Zr2Al0.24O12、Li6.75La3Nb0.25Zr1.75O12、Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Al2O3、TiO2、SiO2、BaTiO3、ZrO2和脱蒙土中的至少一种。
进一步地,所述蛋白质材料的质量占所述固态电解质总质量的1~30%;
所述离子导体的质量占所述固态电解质总质量的5~20%;
所述聚合物材料和所述蛋白质材料的质量比为2~10:1。
进一步地,所述固态电解质还包括乙二醇、离子液体和阻燃剂中的至少一种。
第二方面,本发明提供了一种固态电解质的制备方法,包括以下步骤:
将蛋白质材料溶解到溶剂中得到蛋白质溶液;
将聚合物材料加入到所述蛋白质溶液中,搅拌得到具有粘度的均匀溶液;
再将离子导体添加到所述均匀溶液中,得到混合悬浮液;
将所述悬浮液平铺、烘干制得所述固态电解质。
第三方面,本发明提供了一种固态电解质薄膜,包括上述的固态电解质。
第四方面,本发明提供了一种固态电池,所述固态电池中包括上述的固态电解质。
进一步地,所述固态电池包括:正极片与负极片,所述正极片与所述负极片之间具有所述固态电解质。
进一步地,所述正极片中的正极材料表面包覆含羧基的聚合物材料。
本发明的上述技术方案的有益效果如下:
本发明提供了一种固态电解质、其制备方法和固态电池,所述固态电解质包括蛋白质材料、聚合物材料和离子导体;其中,所述离子导体包括无机填料、锂盐、镁盐、钠盐中的至少一种。
(1)本发明将聚合物材料与蛋白质材料共混物形成的结构具有良好的机械性能和界面接触,蛋白质材料的添加抑制了锂金属负极表面锂枝晶的生长;
(2)离子导体的加入提高了混合电解质的离子导电率,从而提升固态电池性能;本发明聚合物固态电解质薄膜的拉伸强度可达20MPa,离子导电率可达3.2mS/cm;
(3)蛋白质与聚合物相结合的固态电解质具有一定的柔性以及粘性,组装电池后在压力的作用下,使得固态电解质与电极界面接触更加紧密,可以解决固态电解质与电极间的界面接触性差的问题;
(4)本发明的蛋白质固体电解质,具有柔性及一定延展性能,可以有效缓解固态电池在循环过程中电极膨胀问题;
(5)本发明的蛋白质固体电解质,可以添加可通过调整不同溶剂、添加剂、无机盐等参数将其应用于锂、钠、镁、铝、锌等各类离子二次电池,以及全固态电池、准固态电池或凝胶电池等多类型。
(6)本发明固态电解质制备工艺简单,成品率高,成本低,适合工业应用,在便携式电子设备和动力电池领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为固态电池的结构示意图;
图2为固态电池的循环性能图。
附图标记
1、正极片;2、固态电解质;3、负极片。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明的限制。
第一方面,本发明提供了一种固态电解质,所述固态电解质包括蛋白质材料、聚合物材料和离子导体;其中,所述离子导体包括无机填料、锂盐、镁盐、钠盐中的至少一种。
根据本发明的一些实施例,所述蛋白质材料包括丝素蛋白、纤维蛋白、血纤蛋白。优选丝素蛋白,所述丝素蛋白可以是天然丝素蛋白,也可是人造丝素蛋白。
根据本发明的一些实施例,所述聚合物材料包括聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、、聚乙二醇、海藻酸钠和纤维素中的至少一种。
根据本发明的一些实施例,所述无机填料为无机陶瓷材料,包括Li7La3Zr2O12、Li6.28La3Zr2Al0.24O12、Li6.75La3Nb0.25Zr1.75O12、Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Al2O3、TiO2、SiO2、BaTiO3、ZrO2和脱蒙土中的至少一种。
根据本发明的一些实施例,所述锂盐可选用新型LiBMB、LiBMFMB、LiDFMFMB、LiDFEFMB和LiDFPFMB等,也可选用常规的LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiDFOB、LiBOB、LiFSI和LiTFSI等,可选用其中的一种或任意几种的组合物。所述镁盐可选用Mg(TFSI)2、MgClO4等。所述钠盐可选用NaDFOB、NaTFSI、NaPF6等。同时,也可以选用锂盐、镁盐和钠盐中的两种来制备双阳离子电解质。
具体地讲,本发明在固态电解质的配方中添加蛋白质可以抑制锂枝晶生长,但蛋白质材料无法独立成膜,且无室温离子电导率。为解决蛋白质材料无法独立成膜的问题,本发明在配方中添加了聚合物材料,所述聚合物材料具有很好的柔韧性和很高的拉伸强度。但是,所述聚合物材料室温下离子电导率非常低,为解决室温下离子电导率的问题,本发明可以在配方中添加离子导体,其中所述离子导体包括无机填料、锂盐、镁盐、钠盐中的至少一种。将可抑制锂枝晶生长的蛋白质材料、具有较高室温离子电导率的离子导体与聚合物材料复合,可以保证固态电解质产品整体的柔韧性、较高的室温离子电导率以及无枝晶的优异电池循环性能。
根据本发明的一些实施例,所述蛋白质材料的质量占所述固态电解质总质量的1~30%;所述离子导体的质量占所述固态电解质总质量的5~20%;所述聚合物材料和所述蛋白质材料的质量比为2~10:1。
根据本发明的一些实施例,所述固态电解质还包括乙二醇、离子液体和阻燃剂中的至少一种。其中,采用乙二醇或离子液体与蛋白质共混的方法可以提高聚合物固态电解质的机械强度,所述离子液体可选用[BMIM]Cl、EMI-TFSI、BMI-TFSI等。所述阻燃剂包括磷系烷基磷酸酯、氟化磷酸酯及磷腈类化合物;卤系阻燃剂,如十溴二苯乙烷、溴化环氧树脂等。
第二方面,本发明提供了一种固态电解质的制备方法,包括以下步骤:
将蛋白质材料溶解到溶剂中得到蛋白质溶液;将聚合物材料加入到所述蛋白质溶液中,搅拌得到具有粘度的均匀溶液;再将离子导体添加到所述均匀溶液中,得到混合悬浮液;将所述悬浮液平铺、烘干制得所述固态电解质。
根据本发明的另一些实施例,所述制备方法具体包括以下步骤:
步骤一:将蛋白质材料加入溶剂当中,充分搅拌,将得到的混合溶液超声处理0.5~1h后,保持静止24~48h,使蛋白质材料完全分散在溶剂中;
步骤二:将聚合物材料加入步骤一得到的溶液中,搅拌得到具有粘度的均匀溶液;
步骤三:将离子导体添加至步骤二得到溶液中,得到混合悬浮液;
步骤四:将步骤三制得悬浮液平铺在具有一定深度的聚四氟乙烯模具中,烘干得到固态电解质薄膜。
第三方面,本发明提供了一种固态电解质薄膜,包括上述的固态电解质。所述固态电解质薄膜无锂枝晶现象,室温下具有良好的离子电导率,且机械性能优秀。
第四方面,本发明提供了一种固态电池,所述固态电池中包括上述的固态电解质,采用上述固态电解质的固态电池无锂枝晶现象,具有良好的界面接触性能,内阻较低,循环性能显著提升,无安全隐患问题。
根据本发明的另一些实施例,所述固态电池包括:正极片与负极片,所述正极片与所述负极片之间具有上述的固态电解质,所述电池结构如图1所示。
根据本发明的另一些实施例,所述正极片中的正极材料表面包覆含羧基的聚合物材料。其中,所述正极材料可以为磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、富锂材料中的一种或多种。所述含羧基的聚合物材料如PAA,本发明通过在正极材料表面包覆富含羧基的聚合物材料,在抑制正极材料与固态电解质界面反应的同时具有较高的离子导电性,能够提高正极材料稳定性,从而提高电池循环性能。
根据本发明的另一些实施例,所述正极片中的正极材料表面包覆含羧基的聚合物材料占正极材料质量的3%至30%。本发明中包覆量越大,正极材料包覆越充分。但包覆量显著影响活性物质比容量,包覆量越大,活性物质比容量越低,且会影响正极极片的机械性能。
下面通过一些具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
制备固态电解质膜:
(1)将0.5g丝素蛋白(SF)加入32.8g溶剂DMF中,在70℃温度下搅拌,得到混合溶液;将混合溶液超声处理0.5~1h后,保持静止24~48h,使丝素蛋白完全分散在溶剂DMF中;
(2)将4.5g聚丙烯腈(PAN)加入步骤(1)的均匀混合溶液当中,丝素蛋白与聚丙烯腈的质量比为1:9,得到具有一定粘度的均匀溶液;
(3)将0.56gLiTFSI和0.14gLiDFOB按8:2的质量比,以及0.3g(占总质量5wt.%)的无机填料LLZTO添加至步骤(2)中制得的溶液中,搅拌均匀得到混合悬浮液;
(4)将步骤(3)制得悬浮液平铺在具有一定深度的聚四氟乙烯模具中,烘干得到PAN/SF/LLZTO固态电解质薄膜。
制备正极材料:将聚丙烯酸(PAA)和PEO按1:4的质量比溶解在乙腈溶液中,以碳黑为导电剂,PVDF为粘结剂,搅拌均匀后加入正极活性材料钴酸锂。混合物中,固体成分包含90wt.%钴酸锂、8wt.%PEO、2wt.%PAA、0.5wt%的粘结剂PVDF和3.5wt.%的导电炭黑。
制备固态电池:以铝箔为集流体,以金属锂为负极(50μm),以及上述的正极极片(80μm)和固态电解质(40μm)组装固态锂电池,正极、固态电解质、负极依次叠加,辅助常用的极耳和铝塑膜密封材料,具体结构图如示意图1所示。
测试本实施例制得固态电解质的性能以及固态电池的性能,测试结果如表1和图2所示。
测试方法:
固态电解质膜拉伸强度测试:采用聚合物拉伸强度试验机测试拉伸强度。
固态电解质膜的离子电导率测试:使用CR2032纽扣电池组件,组装钢片|固态电解质膜|钢片电池,使用辰华660E电化学工作站测试,通过EIS交流阻抗测试方法得到固态电解质膜的阻抗(R/Ω),测量电解质膜厚度(d/cm)和面积(S/cm2),使用公式
Figure BDA0002996754580000071
计算得到离子电导率(σ/s·cm-1)。
电池内阻测试:组装完固态电池后,使用辰华660E电化学工作站测试,通过EIS交流阻抗测试方法得到固态电池内阻。
电池循环次数测试:固态电池组装完之后,使用LAND蓝电电池测试系统,以0.2C/0.2C充放电电流大小,3.0V~4.4V充放电电压条件下进行循环性能测试。
实施例2
制备固态电解质膜:
(1)将丝素蛋白(SF)0.5g加入溶剂32.8g DMSO中,在70℃温度下搅拌,得到混合溶液;将混合溶液超声处理0.5~1h后,保持静止24~48h,使丝素蛋白完全分散在溶剂DMSO中;
(2)将2g聚乙烯醇(PVA)加入步骤(1)的均匀混合溶液当中,丝素蛋白与聚乙烯醇的质量比为1:4,得到具有一定粘度的均匀溶液;
(3)将0.56g LiTFSI和0.16gLiDFOB按7:2的质量比,以及0.17g(占总质量5wt.%)的无机填料LLZTO添加至步骤(2)中制得的溶液中,搅拌均匀得到混合悬浮液;
(4)将步骤(3)制得悬浮液平铺在具有一定深度的聚四氟乙烯模具中,烘干得到PVA/SF/LLZTO固态电解质薄膜。
制备正极材料:将聚丙烯酸(PAA)和PEO按1:4的质量比溶解在乙腈溶液中,以碳黑为导电剂,PVDF为粘结剂,搅拌均匀后加入正极活性材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。混合物中,混合物中,固体成分包含90wt.%钴酸锂、8wt.%PEO、2wt.%PAA、0.5wt.%的粘结剂PVDF和3.5wt.%的导电炭黑。
制备固态电池:以铝箔为集流体,以金属锂为负极(50μm),以及上述的正极极片(80μm)和固态电解质(40μm)组装固态锂电池,正极、固态电解质、负极依次叠加,辅助常用的极耳和铝塑膜密封材料。
测试本实施例制得固态电解质的性能以及固态电池的性能,测试方法同实施例1,测试结果如表1和图2所示。
实施例3
制备固态电解质膜:
(1)将0.5g丝素蛋白(SF)加入32.8g溶剂DMSO中,在70℃温度下搅拌,得到混合溶液;将混合溶液超声处理0.5~1h后,保持静止24~48h,使丝素蛋白完全分散在溶剂DMSO中;
(2)将4.5g纤维素加入步骤(1)的均匀混合溶液当中,丝素蛋白与纤维素的质量比为1:9,50℃加热搅拌,得到具有一定粘度的均匀溶液;
(3)将0.56gLiTFSI和0.14gLiCl按8:2的质量比,以及0.3g(占总质量5wt.%)的无机填料LLZTO添加至步骤(2)中制得的溶液中,搅拌均匀得到混合悬浮液;
(4)将步骤(3)制得悬浮液平铺在具有一定深度的聚四氟乙烯模具中,烘干得到纤维素/SF/LLZTO固态电解质薄膜。
制备正极材料:将聚丙烯酸(PAA)和PEO按1:4的质量比溶解在乙腈溶液中,以碳黑为导电剂,PVDF为粘结剂,搅拌均匀后加入正极活性材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。混合物中,固体成分包含90wt.%钴酸锂、8wt.%PEO、2wt.%PAA、0.5wt.%的粘结剂PVDF和3.5wt.%的导电炭黑。
制备固态电池:以铝箔为集流体,以金属锂为负极(50μm),以及上述的正极极片(80μm)和固态电解质(40μm)组装固态锂电池,正极、固态电解质、负极依次叠加,辅助常用的极耳和铝塑膜密封材料。
测试本实施例制得固态电解质的性能以及固态电池的性能,测试方法同实施例1,测试结果如表1和图2所示。
实施例4
制备固态电解质膜:
(1)将2g丝素蛋白(SF)加入32.8g溶剂丙酮中,在70℃温度下搅拌,得到混合溶液;将混合溶液超声处理0.5~1h后,保持静止24~48h,使丝素蛋白完全分散在溶剂丙酮中;
(2)将5g聚乙二醇(PEG)加入步骤(1)的均匀混合溶液当中,丝素蛋白与聚丙烯腈的质量比为2:5,得到具有一定粘度的均匀溶液;
(3)将0.56gLiTFSI和0.14gLiDFOB按8:2的质量比,以及0.4g(占总质量5wt.%)的无机填料LLZTO添加至步骤(2)中制得的溶液中,搅拌均匀得到混合悬浮液;
(4)将步骤(3)制得悬浮液平铺在具有一定深度的聚四氟乙烯模具中,烘干得到PEG/SF/LLZTO固态电解质薄膜。
制备正极材料:将聚丙烯酸(PAA)和PEO按1:4的质量比溶解在乙腈溶液中,以碳黑为导电剂,PVDF为粘结剂,搅拌均匀后加入正极活性材料钴酸锂。混合物中,固体成分包含90wt.%钴酸锂、8wt.%PEO、2wt.%PAA、0.5wt%的粘结剂PVDF和3.5wt.%的导电炭黑。
制备固态电池:以铝箔为集流体,以金属锂为负极(50μm),以及上述的正极极片(80μm)和固态电解质(40μm)组装固态锂电池,正极、固态电解质、负极依次叠加,辅助常用的极耳和铝塑膜密封材料.
测试本实施例制得固态电解质的性能以及固态电池的性能,测试方法同实施例1,测试结果如表1和图2所示。
对比例1
和实施例1相比,唯一的区别在于不添加丝素蛋白,得到PAN-LLZTO薄膜。
制备固态电池:与实施例1中制备固态电池的方法相同。
测试本对比例制得固态电解质的性能以及固态电池的性能,测试方法同实施例1,测试结果如表1和图2所示。
对比例2
和实施例2相比,唯一的区别在于不添加丝素蛋白,得到PVA-LLZTO薄膜。
制备固态电池:与实施例1中制备固态电池的方法相同。
测试本对比例制得固态电解质的性能以及固态电池的性能,测试方法同实施例1,测试结果如表1和图2所示。
对比例3
和实施例3相比,唯一的区别在于不添加丝素蛋白,得到纤维素-LLZTO薄膜。
制备固态电池:与实施例1中制备固态电池的方法相同。
测试本对比例制得固态电解质的性能以及固态电池的性能,测试方法同实施例1,测试结果如表1和图2所示。
对比例4
和实施例4相比,唯一的区别在于不添加丝素蛋白,得到PEG-LLZTO薄膜。
制备固态电池:与实施例1中制备固态电池的方法相同。
测试本对比例制得固态电解质的性能以及固态电池的性能,测试方法同实施例1,测试结果如表1和图2所示。
表1固态电解质及固态电池的性能测试数据列表
Figure BDA0002996754580000101
Figure BDA0002996754580000111
通过实施例1至4制得的含蛋白质的固态电解质与对比例1-4固态电解质的对比可以看出,实施例中含蛋白质的固态电解质的拉伸强度和离子电导率明显优于对比例中的常规固态电解质。
从固态电池的数据可知,本发明提供的蛋白质固体电解质循环性能在蛋白质的作用下具有显著改善。各个实施例比较可知,添加不同骨架材料对蛋白质固态电解质的离子电导率和循环性能有不同影响,其中聚乙二醇做骨架材料的蛋白质固态电解质循环寿命最长。
除非另作定义,本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也相应地改变。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固态电解质,其特征在于,所述固态电解质包括蛋白质材料、聚合物材料和离子导体;其中,所述离子导体包括无机填料、锂盐、镁盐、钠盐中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的固态电解质,其特征在于,所述蛋白质材料包括丝素蛋白、纤维蛋白、血纤蛋白。
3.根据权利要求1所述的固态电解质,其特征在于,所述聚合物材料包括聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、海藻酸钠和纤维素中的至少一种;和/或
所述无机填料为无机陶瓷材料,包括Li7La3Zr2O12、Li6.28La3Zr2Al0.24O12、Li6.75La3Nb0.25Zr1.75O12、Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Al2O3、TiO2、SiO2、BaTiO3、ZrO2和脱蒙土中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的固态电解质,其特征在于,所述蛋白质材料的质量占所述固态电解质总质量的1~30%;
所述离子导体的质量占所述固态电解质总质量的5~20%;
所述聚合物材料和所述蛋白质材料的质量比为2~10:1。
5.根据权利要求1所述的固态电解质,其特征在于,所述固态电解质还包括乙二醇、离子液体和阻燃剂中的至少一种。
6.一种固态电解质的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将蛋白质材料溶解到溶剂中得到蛋白质溶液;
将聚合物材料加入到所述蛋白质溶液中,搅拌得到具有粘度的均匀溶液;
再将离子导体添加到所述均匀溶液中,得到混合悬浮液;
将所述悬浮液平铺、烘干制得所述固态电解质。
7.一种固态电解质薄膜,其特征在于,包括如权利要求1-5中任一项所述的固态电解质。
8.一种固态电池,其特征在于,所述固态电池中包括权利要求1~5任一项所述的固态电解质。
9.根据权利要求8所述的固态电池,其特征在于,所述固态电池包括:
正极片与负极片,所述正极片与所述负极片之间具有所述固态电解质。
10.根据权利要求9所述的固态电池,其特征在于,所述正极片中的正极材料表面包覆含羧基的聚合物材料。
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