一种基于硅基阳极的固态二次电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于硅基阳极的固态二次电池，其包含：硅基阳极；固体电解质；以及高能量阴极。与采用液体电解质和硅基阳极的电池相比，根据本发明专利技术的基于硅基阳极的固态二次电池的固体电解质和硅基阳极之间的界面能够更稳定，因此本发明专利技术的基于硅基阳极的固态二次电池具有改善的循环稳定性，即使在高温下，并且本发明专利技术的固态二次电池的体积能量密度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅基阳极的固态二次电池及其制备方法
本专利技术属于电池
具体地，本专利技术涉及一种基于硅基阳极的固态二次电池及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池是一种新型的可充电电池，具有高电压、高能量密度、环保无污染等优点，被誉为“最有前景的化学电源”。随着低碳经济的方兴未艾，锂离子电池正朝着汽车动力和电网储能等方向积极发展。针对新一代的高能量锂离子电池，目前存在例如基于高能量阴极和硅阳极以及液态电解质的高能量电池和基于锂阳极的固态电池等。对于基于高能量阴极和硅阳极以及液态电解质的高能量电池，液体电解质和硅阳极之间的固体电解质界面膜(SEI膜)的生长和不稳定性是电池锂损失的主要原因。这种类型的电池的循环稳定性是不令人满意的。并且体积膨胀会导致严重的各向异性应力，导致颗粒粉碎。对于基于锂阳极的固态电池，聚合物/陶瓷电解质会被形成的锂枝晶刺入，导致电池短路。此外，用于基于锂阳极的固态电池的超薄锂箔(<50μm)的生产还比较昂贵并难以得到均匀且可重现的锂表面，其对于电池安全非常重要。因此，本领域中一直在寻找具有良好的循环稳定性和界面稳定性的高能量二次电池。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供具有良好的循环稳定性和界面稳定性的高能量二次电池，以避免现有技术中高能量二次电池循环稳定性和/或界面稳定性差的问题。本专利技术所要解决的问题通过以下技术方案得以解决：根据本专利技术的第一方面，提供一种基于硅基阳极的固态二次电池，其包含：硅基阳极；固体电解质；以及高能量阴极。根据本专利技术的第二方面，提供制备上述基于硅基阳极的固态二次电池的方法，其包括如下步骤：i)提供硅基阳极；ii)提供高能量阴极；和iii)将硅基阳极和高能量阴极与固体电解质进行组装以得到锂离子电池。与采用液体电解质和硅基阳极的电池相比，根据本专利技术的基于硅基阳极的固态二次电池的固体电解质和硅基阳极之间的界面能够更稳定，因此具有改善的循环稳定性，即使在高温下。在下文中，将更全面地体现本专利技术的其它方面以及更进一步的目的、特征和优点。具体实施方案下面对本专利技术技术方案进行详细描述。根据本专利技术的第一方面，提供一种基于硅基阳极的固态二次电池，其包含：硅基阳极；固体电解质；以及高能量阴极。在本申请说明书中，所述硅基阳极包含选自硅单质、硅合金、硅化合物或硅碳复合材料的硅材料、粘结剂和导电添加剂。所述硅单质可为单晶硅、多晶硅、无定形纳米硅等。作为硅合金，可以提及包括选自锡、铝、镍、铜、铁、钴、锰、锌、铟、银、钛、锗、铋、锑和铬中的至少一种作为除硅以外的第二元素的合金。作为硅化合物，可以提及包括氧和碳的化合物，且硅的化合物除硅外可包括选自锡、镍、铜、铁、钴、锰、锌、铟、银、钛、锗、铋、锑和铬的元素。硅合金或化合物的实例包括SiB4、SiB6、Mg2Si、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4、Si2N2O、SiOv(0<v≤2)、SnOw(0<w≤2)、LiSiO等。作为硅碳复合材料，可以提及碳包覆的硅单质、硅合金、硅化合物或者石墨烯、碳纳米管等碳材料与硅的复合材料。除了硅材料以外，硅基阳极可含有其它阳极活性材料，例如石墨等。所述导电添加剂可为锂离子电池制备领域中常用的导电添加剂，如石墨导电剂，例如KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15；炭黑导电剂，例如乙炔黑、SuperP、SuperS、350G、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、科琴黑；石墨烯等。所述导电添加剂的量可高达15％重量，优选0.5-10％重量，更优选3-10％重量，以所述硅基阳极的总重量计。所述粘结剂可为锂离子电池制备领域中常用的粘结剂，如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯酸钠(NaPAA)等。所述硅基阳极任选经过预锂化。通常用于阳极中的锂粉、锂的氧化物粉末或者锂的碳化物粉末、氮化物粉末以及氯化物粉末可作为用于预锂化的锂。预锂化的硅基阳极中锂的容量是整个电极容量的5％-120％，优选10％-100％，更优选20％-90％。所述硅基阳极还可包含其它阳极活性材料。所述其它阳极活性材料可以为阳极中常用的活性材料，例如石墨等。所述硅基阳极优选具有大于25％，优选大于35％，更优选大于50％的孔隙率。所述固体电解质可选自聚合物电解质、无机陶瓷电解质和聚合物无机复合电解质，例如，PEO基的聚合物电解质、硫化物固体电解质。作为固体电解质，可以提及的有，例如NASICON型锂离子导体Li1+xTi2-xMx(PO4)3、Li1+xGe2-xMx(PO4)3(0.1<x<0.7，M＝Al、Ga、In、Sc)；钙钛矿型锂离子导体Li3xLa(2/3)-xTiO3(0<x<0.16)；LISICON型锂离子导体Li14ZnGe4O16；石榴石型锂离子导体Li5La3M2O12(M＝Ta、Nb)、Li7La3Zr2O12；玻璃陶瓷电解质Li2S-SiS2-Li3PO4、Li7P3S11、Li10GeP2S12；锂磷氧氮(LiPON)；基于氧化物或磷酸盐的无机固体电解质例如磷酸硅锂、氧化铝；聚合物和无机陶瓷复合电解质等。所述硅基阳极中也可包含上述固体电解质中的一种或更多种。当存在于所述硅基阳极中时，所述固体电解质的量可高达50％重量，优选0.5-30％重量，更优选1-10％重量，以所述硅基阳极的总重量计。所述高能量阴极包含锂离子电池中常用的阴极活性材料、上述固体电解质和导电添加剂。作为阴极活性材料，可提及的有例如NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、NCA、Li富集的NCM、LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4。所述导电添加剂可为锂离子电池制备领域中常用的导电添加剂，如石墨导电剂，例如KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15；炭黑导电剂，例如乙炔黑、SuperP、SuperS、350G、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、科琴黑；石墨烯等。在所述高能量阴极中，阴极活性材料、导电添加剂和固体电解质的质量比为30～80：1～15：10～60，优选40-75：2-10:30-55。根据本专利技术的第二方面，提供制备上述基于硅基阳极的固态二次电池的方法，其包括如下步骤：i)提供硅基阳极；ii)提供高能量阴极；和iii)将硅基阳极和高能量阴极与固体电解质进行组装以得到锂离子电池。所述硅基阳极的制备可以按照本领域中已知的方法进行，优选在阳极制备过程中不进行碾压或者稍微碾压，以确保孔隙率大于25％，优选大于35％，更优选大于50％。更优选在阳极制备过程中不进行碾压。硅基阳极可通过购买获得或通过自行制备获得。在一个实施方式中，通过如下制备硅基阳极：将包含硅材料和任选的其它阳极活性材料、任选的固体电解质、导电添加剂和粘结剂的阳极浆料涂布到阳极基底上，经干燥、任选碾压、分切后得到硅基阳极。可通过将硅材料和任选的其它阳极活性材料、任选的固体电解质、导电添加剂和粘结剂溶解或分散于溶剂中来配制阳极浆料。如上所述，所述硅材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅基阳极的固态二次电池，其特征在于，其包含：硅基阳极；固体电解质；以及高能量阴极。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基阳极的固态二次电池，其特征在于，其包含：硅基阳极；固体电解质；以及高能量阴极。2.根据权利要求1所述的基于硅基阳极的固态二次电池，其特征在于，所述硅基阳极包含选自硅单质、硅合金、硅化合物或硅碳复合材料的硅材料、粘结剂和导电添加剂并且任选包含其它阳极活性材料和/或所述固体电解质。3.根据权利要求1或2所述的基于硅基阳极的固态二次电池，其特征在于，所述硅基阳极经过预锂化，其中锂的容量是电极容量的5-120％。4.根据权利要求1或2所述的基于硅基阳极的固态二次电池，其特征在于，所述硅基阳极具有大于25％的孔隙率。5.根据权利要求1或2所述的基于硅基阳极的固态二次电池，其特征在于，所述固体电解质选自聚合物电解质、无机陶瓷电解质和聚合物无机复合电解质。6.根据权利要求1或2所述的基于硅基阳极的固态二次电池，其特征在于，所述高能量阴极包含锂离子电池中常用的阴极活性材料、所述固体电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈赟华，张敬君，S贝恩德，王蕾，周龙捷，蒋蓉蓉，郝小罡，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE