本文基于浙江大学长三角智慧绿洲创新中心发明专利,介绍一种以全氟聚醚(PFPE)为助剂的溶剂辅助干法制备硫化物固态电解质膜工艺,该工艺克服传统湿法溶剂腐蚀电解质、纯干法成膜脆性大的技术缺陷,兼顾电化学性能与工业化制备能力。
一、原料体系
电解质基体选用\(Li_6PS_5Cl\)、\(Li_{10}GeP_2S_{12}\)及其衍生物;粘结剂采用 PTFE、PVDF 或氢化丁腈橡胶,添加量为电解质粉体质量 2%~10%;改性助剂为分子量 500~2500 g/mol、50~80℃可挥发、表面张力<20 mN/m 的惰性全氟聚醚,掺量占粉体混合料 0.5%~5.0 wt%(优选 1.5%~3.5 wt%);按需添加正己烷、正庚烷、甲苯低极性挥发性溶剂,添加量 5%~20 wt%。
二、分步制备工艺
惰性气氛预混球磨在水氧含量<0.1 ppm 的氩气或氮气环境下,电解质粉末与粘结剂混合,200~250 rpm 低速球磨 10~30 min,得到均匀固相混合料,隔绝水汽避免硫化物变质。
低剪切塑化制浆向混合料中加入 PFPE 助剂与可选挥发性溶剂,在 0.05~1 MPa 低剪切条件下,通过捏合、双螺杆挤出等设备塑化混炼。PFPE 依靠低表面张力均匀包覆颗粒,润滑物料并促进 PTFE 原纤化,形成具备粘弹性的连续浆料,全程低剪切可避免电解质晶格损伤。
辊压成型与真空干燥浆料经 20~80 MPa 辊压 2~5 次,成型 50~200 μm 自支撑生膜;于真空度<100 Pa、50~90 ℃条件干燥 4~24 h,除去主溶剂与绝大部分 PFPE,成品有机溶剂总残留低于 200 ppm。
三、工艺优势与产品性能
工艺采用常规锂电生产设备即可落地,产线改造成本低,适配连续规模化生产。成品电解质膜结构致密、无明显孔隙裂纹,抗拉强度 3.9~5.2 MPa;离子电导率 1.62~2.23 mS/cm,较无 PFPE 对照组提升约 70%,电子电导率维持\(10^{-8}~10^{-9}\ \text{S/cm}\);锂对称电池临界电流密度可达 1.4~1.8 mA/cm²,抗锂枝晶穿透能力显著提升。依托该隔膜组装 NCM - 金属锂基全固态电池,首圈放电容量>173 mAh/g、首圈库伦效率>75%,界面副反应少、长循环稳定性优异。
四、应用
该自支撑硫化物固态电解质膜可直接用于全固态锂电池装配,适用于车用动力电池、储能及消费类锂电领域。