摘要
随着移动终端、电动汽车和新能源开发等领域的快速发展，近年来基于固态锂金属电池的研究受到空前重视。固态锂电池是下一代锂电池的一个重要发展方向。固态电解质是固态锂电池体系中的一个重要组成部分，其本身性质对锂电池的循环性能、倍率性能和安全性能起到关键性作用。现阶段社会对能源动力以及能源储蓄系统方面的迫切需求，对高安全性和电化学稳定性的固态电解质的需求追在眉睫。设计构筑兼具高离子电导率、低电极/电解质界面阻抗、高机械强度的固态电解质仍是现阶段的技术难题。本论文构筑了不同类型的复合固态电解质，并探究其锂离子传导机制。主要研究结果如下: 第一，构筑了一种聚离子液体基有机无机复合固态电解质。将聚离子液体(polyIL)，离子液体(IL)，双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂(LiTFSI)和Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)复合构筑制备电化学稳定的有机-无机复合固态电解质。结果表明含有14wt％LATP的复合电解质具有最高的离子电导率。使用polyIL和polyIL-14wt％LATP电解质的固态锂金属电池提供的初始容量分别为136.4mAhg-1和149.6mAhg-1，复合固态电解质的固态锂金属电池具有较高的容量。利用polyIL-14wt％LATP电解质装配的固态锂金属电池在循环100次后的容量保持率为95％。 第二，设计了一种基于LATP和polyIL的无机有机复合固态电解质。首先，将polyIL和LiTFSI溶于IL中形成PolyIL-in-Salt离子凝胶。将PolyIL-in-Salt离子凝胶和LATP通过压片法制备PolyIL-in-Ceramic的全固态复合电解质。热重分析全固态复合电解质中的LATP的含量约为80％，确定制备高陶瓷含量的全固态复合电解质。利用分子动力学模拟(MD)表明，随着锂盐浓度的增加TFSI-与Li+和聚合物主链形成共配位结构。利用压片工艺将LiFePO4正极和LIP1L1.5全固态电解质压制成集成结构，并应用于固态锂金属电池。全固态电池在100次循环后容量为159.5mAhg-1，容量保持率为99.6％。锂对称金属电池稳定循环4000h，表明PolyIL-in-Salt离子凝胶的引入不仅可避免LATP和Li之间的副反应，而且可保证固态电解质和Li界面的紧密接触，从而使固态电解质与固体电极的固-固界面阻抗减小。 第三，设计了PVDF-HFP纺丝膜和PolyIL-in-Salt离子溶液结合的有机有机复合固态凝胶电解质。构筑的有机-有机复合固态凝胶电解质具有较高的机械性能和热稳定性。能够有效克服在聚合物纺丝膜中只引入离子液体降低凝胶电解质的机械性能的问题。将其组装软包电池，软包电池在折叠中、折叠后及切割后能够点亮LED灯，表明有机有机复合凝胶固态电解质具有应用于柔性可穿戴电子设备的潜力。 第四，设计了核壳结构复合固态凝胶电解质。利用同轴静电纺丝技术构筑核壳结构凝胶电解质，利用核壳结构中不同材料发挥其不同组分的性能优势。结果表明核壳结构纳米纤维能够提高对离子液体的表面润湿，有利于提高其界面稳定性。将制备的固态凝胶电解质应用于锂金属电池，用核壳结构电解质组装的固态电池在室温和50℃下能稳定循环100圈，与共混复合固态电解质的固态电池相比，核壳结构固态电池具有更高的比容量和容量保持率。
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