本發明涉及固態電解質材料及其制備方法，具體涉及一種固態電解質及其制備方法和應用。

背景技術：

1、自第一塊電池發明以來，人們對高能量密度電化學儲能系統的追求從未停止過。鋰金屬電池由于具有極高的理論比容量和最低的還原電位而被認為是最理想的高能量密度電池系統。然而，鋰陽極側產生的枝晶生長和固體電解質界面(sei)不穩定等諸多問題嚴重影響了鋰金屬電池的循環性能和安全性，阻礙了鋰金屬電池的實際應用。

2、一般認為，鋰枝晶是由空間電荷的不均勻分布、陽極表面電流密度的差異和固體電解質界面(sei)的裂紋引起的。基于鋰枝晶生長機理，人們對防止鋰枝晶寄生生長進行了大量的研究結構陽極、電解液/電極界面修飾等。但是，上述解決方案只能在一定程度上緩解枝晶生長，延長電池的安全壽命，鋰枝晶是鋰金屬電池在長期運行中不可避免地產生的目前，通常認為采用固態電解質是抑制鋰枝晶的一個重要方法，因為其擁有其他電解質無法比擬的機械性能，高模量、高強度使得固態電解質可以與尖硬的枝晶相抵抗，使電池具有更高的安全性能。然而，固態電解質依然無法從根本上來阻止鋰枝晶的產生，在電流高于臨界電流密度時，鋰枝晶依然可以刺穿電解質，從而使電池短路。

技術實現思路

1、鑒于背景技術中存在的技術問題，本申請提供了一種固態電解質及其制備方法和應用，旨在解決現有固態電解質無法從根本上阻止鋰枝晶的產生，在電流高于臨界電流密度時，枝晶依然可以刺穿電解質，從而使電池短路的技術問題。

2、第一方面，本申請實施例提供了一種固態電解質，包括鋰鹽、納米sio2顆粒、聚丙烯腈（pan）和有機聚合物基體，納米sio2顆粒的質量百分比為5%~20%。

3、本申請實施例的技術方案中，本申請以納米級無機陶瓷顆粒sio2為填料，構建了高性能peo基復合固態電解質，解決了鋰枝晶在長時間充放電運行中的問題。一方面，這種納米sio2顆粒填料可以有效抑制聚合物基體peo的結晶，提供更多的離子導電通道，顯著提高固態電解質的離子電導率；另一方面，復合固態電解質中的納米sio2顆粒一旦接觸到生成的鋰枝晶，就會形成電化學微電池，在這種微電池反應中，作為電池陽極的鋰枝晶會以較高的速率被氧化和開裂，從而極大地消除了鋰枝晶的進一步生長和可能發生的短路現象。由于穩定的界面是鋰枝晶生長的必要條件，因此，本申請相應提出了一種整體穩定的界面結構形成和原位消除枝晶的策略，即除了納米sio2顆粒，還同時引入了pan作為抑制鋰枝晶固態電解質的添加劑，pan的引入會形成li3n和lif以作為良好的鋰離子導體，從而促進了鋰離子在界面處穩定。

4、在一些實施例中，有機聚合物基體包括聚氧化乙烯（peo），peo中eo基團和鋰鹽中li+的摩爾比為(15~25):1。

5、在一些實施例中，pan和peo的質量比為(0.5~1.5):4。

6、在一些實施例中，納米sio2顆粒的粒徑為100~150nm。

7、在一些實施例中，鋰鹽為litfsi、lipf6中的一種或兩種。

8、第二方面，本申請實施例提供了一種固態電解質的制備方法，包括如下步驟：

9、s1、將鋰鹽與溶劑攪拌混合，使鋰鹽分散在溶劑中，得到第一混合液；

10、s2、將納米sio2顆粒經過超聲分散在第一混合液中，得到第二混合液；

11、s3、將peo和pan加入到第二混合液中，加熱攪拌，得到第三混合液；

12、s4、將第三混合液均勻刮涂在聚四氟乙烯板上，加熱干燥，得到固態電解質。

13、在一些實施例中，溶劑為dmf、g4中的一種或兩種。

14、在一些實施例中，步驟s1中采用磁力攪拌將鋰鹽分散在溶劑中，磁力攪拌的轉速為550~650r/min。

15、在一些實施例中，步驟s3中加熱溫度為50~60℃。

16、在一些實施例中，步驟s4中加熱干燥步驟包括：首先在50~60℃條件下真空干燥48h，然后升高溫度至80~90℃，繼續干燥6h。

17、第三方面，本申請實施例提供了一種鋰金屬電池，包括固態電解質。

18、區別于現有技術方案，本申請的有益效果包括：

19、1.本申請為抑制鋰枝晶生長，設計了一種由無機陶瓷填料納米sio2顆粒、有機添加劑pan和有機聚合物基體peo組成的固態電解質。在該固態電解質中，pan與鋰鹽可以形成li3n和lif，li3n是一種超離子導體，它的存在有助于li+的快速轉移，并有助于降低界面電阻；lif顯示出低的電導率和優異的電化學穩定性，這抑制了電解質和鋰片之間的進一步反應，從而提高了界面穩定性。納米sio2顆粒的引入不僅降低了固體電解質的玻璃化轉變溫度，而且顯著提高了固態電解質的耐高壓性。此外，添加的納米sio2顆?？梢酝ㄟ^電化學微電池的機理抑制鋰枝晶的生長，分解生成的鋰枝晶。這種“sio2—pan”復合摻雜的策略相比單一摻雜填料或添加劑而言提升電化學性能較明顯，將為高循環穩定性固態鋰電池的發展提供新的解決方案。

20、2.本申請優化了固態電解質中納米sio2顆粒的混合比例，通過xrd、eds等表征手段，本申請研究了不同納米sio2顆粒摻雜量對peo固態電解質結晶度的影響。結果表明，當5wt%~20wt%納米sio2顆粒摻雜電解質，提高固態電解質與鋰金屬負極的界面相容性更佳。本申請認為這主要歸因填料抑制了電解質基體peo的結晶程度，且納米sio2顆粒之間團聚現象不明顯，提升了電解質的離子導率。

21、上述說明僅是本申請技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本申請的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本申請的上述和其它目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉本申請的具體實施方式。

技術特征：

1.一種固態電解質，其特征在于，包括鋰鹽、納米sio2顆粒、pan和有機聚合物基體，所述納米sio2顆粒的質量百分比為5%~20%。

2.根據權利要求1所述的固態電解質，其特征在于，所述有機聚合物基體包括peo，所述peo中eo基團和鋰鹽中li+的摩爾比為(15~25):1。

3.根據權利要求2所述的固態電解質，其特征在于，所述pan和peo的質量比為(0.5~1.5):4。

4.根據權利要求1所述的固態電解質，其特征在于，所述納米sio2顆粒的粒徑為100~150nm。

5.根據權利要求1所述的固態電解質，其特征在于，所述鋰鹽為litfsi、lipf6中的一種或兩種。

6.根據權利要求1~5中任一項所述的一種固態電解質的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

7.根據權利要求6所述的固態電解質的制備方法，其特征在于，所述溶劑為dmf、g4中的一種或兩種。

8.根據權利要求6所述的固態電解質的制備方法，其特征在于，所述步驟s3中加熱溫度為50~60℃。

9.根據權利要求6所述的固態電解質的制備方法，其特征在于，所述步驟s4中加熱干燥步驟包括：首先在50~60℃條件下真空干燥48h，然后升高溫度至80~90℃，繼續干燥6h。

10.一種鋰金屬電池，其特征在于，包括權利要求1~5中任一項所述的固體電解質。

技術總結
本申請提供了一種固態電解質及其制備方法和應用，屬于固態電解質材料及其制備方法技術領域，其中，包括鋰鹽、納米SiO<subgt;2</subgt;顆粒、聚丙烯腈（PAN）和有機聚合物基體，納米SiO<subgt;2</subgt;顆粒的質量百分比為5%~20%。本申請為抑制鋰枝晶生長，設計了一種由無機陶瓷填料納米SiO<subgt;2</subgt;顆粒、有機添加劑PAN和聚合物基體PEO組成的固態電解質。這種“SiO<subgt;2</subgt;—PAN”復合摻雜的策略相比單一摻雜填料或添加劑而言提升電化學性能較明顯，將為高循環穩定性固態鋰電池的發展提供新的解決方案。

技術研發人員：王雅東,杜鵬程,張勇,呂寧
受保護的技術使用者：武漢理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28