具有稳定负电极界面的全固态电池制造技术

本公开提供一种长期稳定地保持固体电解质层和负电极之间的界面的全固态电池。具体而言，在固体电解质层和负电极之间的界面可以被长期稳定地保持，是通过使用锂金属作为负电极材料并且在固体电解质层和负电极之间设置牺牲层以使得负电极和牺牲层可形成合金。

All solid state batteries with stable negative electrode interface

The present disclosure provides a solid state battery that maintains the interface between the solid electrolyte layer and the negative electrode for a long time. In particular, the interface between the solid electrolyte layer and the negative electrode can be kept stable for a long time, by using the lithium metal as the negative electrode material and setting the sacrificial layer between the solid electrolyte layer and the negative electrode so that the negative electrode and the sacrificial layer can be formed to form an alloy.

【技术实现步骤摘要】
具有稳定负电极界面的全固态电池
本公开涉及一种用于长期稳定地保持固体电解质层和负电极之间的界面的全固态电池。
技术介绍
锂(Li)是一种具有约-3V的最低氧化/还原电位的金属元素。因此，使用锂金属作为负电极的二次电池具有高能量密度，理论容量约为3860mAh/g以及体积能量密度约为2060mAh/cm3。由于在锂二次电池中锂金属与电解溶液发生剧烈反应，从而限制了锂金属作为负电极材料的使用。然而，在使用固体电解质而不是液体电解质(电解溶液)的全固态电池中，电解质不与锂金属发生反应，因此锂金属可以有效地被用作负电极材料。在反复的充电和放电期间，全固态电池会严重受到在固体电解质和负电极之间的固-固界面处产生的枝晶的影响，并因此缩短寿命。第10-2013-0067139号韩国已公开专利公开一种全固态电池，其包括形成在包含锂钛氧化物的负电极上的包含选自铝、铁、铟、钪和铬的金属离子的保护膜，以改善全固态电池的稳定性。现有技术涉及使用氧化锂而不是锂金属作为负电极，以抑制锂枝晶的产生。然而，采用氧化锂正极的电池具有劣化的电池容量。因此，当使用锂金属作为负电极材料时，有需求开发能够在负电极和固态电解质层之间长期保持稳定的界面的技术。【专利文献】韩国专利公开号10-2013-0067139以上在
技术介绍
部分披露的信息仅用于帮助加强对本专利技术
技术介绍
的理解，因此它可能包含不构成已被该国的本领域普通技术人员知晓的现有技术的信息。
技术实现思路
本公开通过提供一种电池结构解决了与现有技术相关的上述问题，当在全固态电池中使用锂金属作为负电极材料时，该电池结构能够在负电极和固体电解质层之间长期保持稳定的界面。本公开的另一个目的是提供一种全固态电池的电池结构，其能够在负电极和固体电解质层之间长期保持稳定的界面，同时不抑制在负电极和固体电解质层之间的锂离子的转移。本公开的目的不限于上面提及的内容。通过以下描述将更清楚地理解本公开的目的，并且将通过权利要求及其组合中描述的装置来实现本公开的目的。为了达到上述目的，根据本公开的实施方式的具有稳定负电极界面的全固态电池包括以下构造。一方面，本公开提供一种具有稳定负电极界面的全固态电池，其包括设置在正电极和负电极之间的固体电解质层，以及设置在固体电解质层和负电极之间的牺牲层(sacrificiallayer)，其中负电极由锂金属构成，并且牺牲层由具有以下特性的材料形成：(a)材料具有锂离子传导性；以及(b)锂金属在牺牲层材料中的固溶度高于牺牲层材料在锂金属中的固溶度。在根据一个实施方式的具有稳定负电极界面的全固态电池中，牺牲层材料包括金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)、银(Ag)和铜(Cu)中的至少一种金属。在根据示例性实施方式的具有稳定负电极界面的全固态电池中，牺牲层包括接触负电极的界面区域，并且牺牲层材料与锂金属在界面区域可形成合金。在根据示例性实施方式的具有稳定负电极界面的全固态电池中，牺牲层的厚度为约10nm至约500nm、优选为约10nm至约300nm、并且更优选为约10nm至约80nm。根据示例性实施方式的具有稳定负电极界面的全固态电池，当施加的电流密度是0.02mA/cm2并且电池充电/放电时间是1000秒时，该全固态电池能具有±0.005V的电压变化范围。根据示例性实施方式的具有稳定负电极界面的全固态电池，当施加的电流密度是0.2mA/cm2并且电池充电/放电时间是1000秒时，该全固态电池能具有±0.002V的电压变化范围。根据示例性实施方式的具有稳定负电极界面的全固态电池，当施加的电流密度是2mA/cm2并且电池充电/放电时间是1000秒时，该全固态电池能具有±0.07V的电压变化范围。本专利技术的其它方面和优选实施方式在下面讨论。附图说明现在，将参考附图中示出的本公开的某些示例性实施方式对本公开的上述和其他特征进行详细地说明，附图中示出的实施方式仅以说明方式给出，并且因此不对本公开构成限制。图1是示出根据本公开的实施方式的全固态电池的结构的示意图。图2是示出根据本公开的示例性实施方式的作为牺牲层的材料的锂(Li)和金(Au)的固溶度的多组分相图。图3是示出在下面描述的测试例中用于评估电压稳定性的控制单元的结构的示意图。图4A和4B显示在测试1中测量的比较例的电压变化范围(a)和初始界面电阻(b)测试的结果。图5A和5B示出在测试1中测量的实施例的电压变化范围(a)和初始界面电阻(b)测试的结果。图6示出在测试2中测量的实施例的电压变化范围测试的结果。图7示出在测试3中测量的实施例的电压变化范围测试的结果。图8示出利用测试4作为牺牲层厚度的函数测量的电压变换范围测试的结果。应该理解的是，附图不必要成比例，示出的是有所简化表示的以阐述本专利技术的基本原理的各优选特征。本文披露的本公开的具体设计特征，包括例如具体尺寸、方向、位置和形状，将部分取决于特定的具体应用和使用环境。在附图中，附图标记在整个附图的几个图中表示本公开的相同或等同的部分。具体实施方式现在详细参考本公开的各个实施方式，其实例在附图中进行阐述，并在下面加以说明。尽管本公开将结合示例性实施方式一起说明，应该理解的是，当前的说明书并不意在将本公开限制于那些示例性实施方式。相反，本公开不仅意在涵盖示例性实施方式，而且意在涵盖包括在权利要求所述的本专利技术的精神和范围内的各种替换方式、修改方式、等同方式和其它实施方式。在本公开的以下说明中，本文包含的已知功能和构造，在其可能会模糊本公开的保护主题时，其详细说明将被省略。以下详细说明本公开的优选实施方式。图1示出根据本公开的实施方式的具有稳定的负电极界面的全固态电池。参照图1，全固态电池1包括由正电极活性材料构成的正电极10、锂金属负电极20、设置在正电极10和负电极20之间的固体电解质层30、以及设置在固体电解质层30和负电极20之间的牺牲层40。固体电解质层30包括无机固体电解质，并且更具体的，无机固体电解质是基于氧化物的固体电解质或者基于硫化物的固体电解质。在示例性实施方式中，基于氧化物的固体电解质是以下其中之一：LISICON(锂超离子导体(LiSuperlonicCONductor))固体电解质，比如Li3PO4、Li2ZnGeO4、Li4CoGeO4；石榴石固体电解质，比如Li7La3Zr2O12、Li5La3Ta2O12和Li5La3Nb2O12；钙钛矿固体电解质，比如LiLaTiO3和LiNbO3；以及玻璃陶瓷固体电解质，比如Li-Al-Ti-P-O和Li-Al-Ge-Ti-P-O。在示例性实施方式中，基于硫化物的固体电解质是以下其中之一：硫代LISICON固体电解质，比如Li3PS4、Li4GeS4和Li4GePS4；以及玻璃陶瓷固体电解质，比如Li2S-P2S5和GeS2-Li2S。除了这些化合物之外，LiF、Li3N、Li3P等可用作无机类固体电解质。根据示例性实施方式的具有稳定负电极界面的全固态电池还包括在锂金属负电极20和固体电解质层30之间的牺牲层40，以使得在全固态电池的充电/放电期间能够稳定地保持负电极和固体电解质层之间的界面。下面给出牺牲层40的详细说明。牺牲层40使用具有如下特性的材料形成：(a)材料具有锂离子传导性；以及(b)锂金属在牺牲层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有稳定负电极界面的全固态电池，所述全固态电池包括：正电极；由锂金属构成的负电极；设置在所述正电极和所述负电极之间的固体电解质层；以及设置在所述固体电解质层和所述负电极之间的牺牲层；其中，所述牺牲层由具有以下特性的材料形成：(a)所述材料具有锂离子传导性；以及(b)锂金属在牺牲层材料中的固溶度高于所述牺牲层材料在所述锂金属中的固溶度。

【技术特征摘要】
2016.10.28 KR 10-2016-01421811.一种具有稳定负电极界面的全固态电池，所述全固态电池包括：正电极；由锂金属构成的负电极；设置在所述正电极和所述负电极之间的固体电解质层；以及设置在所述固体电解质层和所述负电极之间的牺牲层；其中，所述牺牲层由具有以下特性的材料形成：(a)所述材料具有锂离子传导性；以及(b)锂金属在牺牲层材料中的固溶度高于所述牺牲层材料在所述锂金属中的固溶度。2.根据权利要求1所述的具有稳定负电极界面的全固态电池，其中所述牺牲层材料包括金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)、银(Ag)和铜(Cu)中的至少一种金属。3.根据权利要求1所述的具有稳定负电极界面的全固态电池，其中所述牺牲层包括接触所述负电极的界面区域，并且其中所述牺牲层材料与所述锂金属在界面区域形成合金。4.根据权利要求1所述的具有稳定负电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙参翼，权恩汦，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR