一种刚性膜片及固态锂金属电池制造技术

本申请涉及储能材料领域，具体讲，涉及一种刚性膜片及固态锂金属电池。本申请的刚性膜片设置于固态锂金属电池的固体电解质膜片与阳极极片之间，本申请的刚性膜片具有一定的硬度，从而可抑制锂金属电池组装过程中锂金属阳极向固体电解质膜片内的延展或渗透，从而可降低固态锂金属电池的制备过程中的短路几率。刚性膜片的材料选自金属元素、含有金属元素的合金中的至少一种，可与沉积锂形成合金或容纳沉积锂，因此可降低固态锂金属电池的充放电循环过程中的短路几率，并且提高可固态锂金属电池的循环稳定性。

A Rigid Diaphragm and Solid Lithium Metal Battery

The present application relates to the field of energy storage materials, in particular to a rigid diaphragm and a solid-state lithium metal battery. The rigid diaphragm of this application is set between the solid electrolyte diaphragm and the anode of the solid lithium metal battery. The rigid diaphragm of this application has certain hardness, which can inhibit the extension or penetration of the lithium metal anode into the solid electrolyte diaphragm during the assembly process of the lithium metal battery, thereby reducing the short circuit probability in the preparation process of the solid lithium metal battery. The material of rigid diaphragm is selected from at least one of the metal elements and alloys containing metal elements. It can form alloys with lithium deposited or accommodate lithium deposited. Therefore, it can reduce the short-circuit probability during the charge-discharge cycle of solid-state lithium-metal batteries and improve the cycle stability of solid-state lithium-metal batteries.

【技术实现步骤摘要】
一种刚性膜片及固态锂金属电池
本申请涉及储能材料领域，具体讲，涉及一种刚性膜片及固态锂金属电池。
技术介绍
随着人们对能量密度要求的不断提高，传统锂离子电池已经很难满足日益提高的比能量的需求，于是具有高比容量天然优势的金属锂电极成为研究热点。金属锂的比容量为3860mAh/g，电化学势为-3.04V(vs标准氢电极)，作为阳极的锂-硫电池、锂-空气电池等锂金属电池的重量能量密度可以达到400Wh/kg以上。但是要使用金属锂作为阳极，还需要克服安全性和循环寿命等难题，主要来源于锂枝晶的生长，可能穿透隔膜，容易引发短路，造成安全隐患，严重阻碍了高容量电池体系的发展和实际应用。鉴于此，特提出本申请。
技术实现思路
本申请的第一方面提出一种刚性膜片，其特征在于，所述刚性膜片设置于固态锂金属电池的固体电解质膜片与阳极之间，所述刚性膜片的材料选自金属元素、含有所述金属元素的合金中的至少一种；所述金属元素能够与锂形成合金。本申请的第二方面提出一种固态锂金属电池，所述固态锂金属电池包括阴极极片、固体电解质膜片和阳极极片，所述固体电解质膜片与所述阳极极片之间设置有刚性膜片。本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：本申请的刚性膜片设置于固态锂金属电池的固体电解质膜片与阳极之间，由于刚性膜片采用具有一定硬度的材料制备，从而可抑制锂金属电池组装过程中锂金属阳极向固体电解质膜片内的延展或渗透，从而可降低固态锂金属电池的制备过程中的短路几率。并且，由于刚性膜能够与固态电池充电过程中的沉积锂形成合金或容纳沉积锂，因此可降低固态锂金属电池的充放电循环过程中的短路几率，并且可提高固态锂金属电池的循环稳定性。附图说明图1为本申请实施例中某一具体实施方式的刚性膜片的结构示意图；图2为本申请实施例中又一具体实施方式的刚性膜片的结构示意图；图3为本申请实施例中又一具体实施方式的刚性膜片的结构示意图；图4为本申请实施例中某一具体实施方式的固态锂金属电池的结构示意图；图5为本申请实施例中又一具体实施方式的固态锂金属电池的结构示意图；图6为本申请实施例1的固态锂金属电池的首周充放电曲线。其中：1-阴极极片；11-阴极集流体；12-阴极活性材料层；2-固体电解质膜片；3-刚性膜片；31-锂离子导体涂层；32-电子导体涂层；4-阳极极片；41-金属锂或锂合金层；42-阳极集流体。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。本申请实施例提出一种刚性膜片，刚性膜片设置于固态锂金属电池的固体电解质膜片与阳极之间，刚性膜片的材料选自金属元素、含有所述金属元素的合金中的至少一种；金属元素为能够与锂形成合金的金属元素。本申请实施例的刚性膜片设置于固态锂金属电池的固体电解质膜片与阳极之间，隔绝电池组装过程中由于外力施压而导致的锂金属延展或渗透至电解质膜，从而达到降低固态锂金属电池组装过程中由于阴极和锂金属阳极接触而引发的短路风险、提高固态锂金属电池循环稳定性的技术效果。本申请实施例的刚性膜片所采用的金属元素选自能够与锂形成合金的金属元素，这是由于，当固态锂金属电池在充电过程中，锂金属阳极表面发生沉积锂金属与刚性膜片形成合金，而非自由的金属锂，从而可抑制金属锂的沉积延展，降低短路。另外，当固态电池在放电时，如果是自由沉积的金属锂在发生溶出会导致固态电解质膜片与阳极极片的接触明显变差，影响后续的充放电过程；而本申请实施例中的合金锂溶出后，阳极的体积变化较小，利于固态电池的稳定循环。进一步可选的，金属元素选自Ge、Sn、Al、Ga、In、Mg、Zn中的至少一种。进一步可选的，刚性膜片的材料进一步选自上述金属元素与锂形成的合金。可选的，刚性膜片的厚度为1μm～1000μm，刚性膜片的厚度的上限可为1000μm、950μm、900μm、850μm、800μm、750μm、700μm、650μm、600μm、550μm、500μm、450μm、400μm、450μm、400μm、350μm、300μm、250μm、200μm、150μm、100μm、90μm、80μm、70μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm、15μm、10μm，刚性膜片的厚度的下限可为1μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm。刚性膜片的厚度的范围可有上限和下限的任意数值组成。如果刚性膜片的厚度过低，则刚性膜片易碎、易折皱，不能很好地起到抑制金属锂延展的作用，如果刚性膜片过厚，又会影响电池的能量密度。刚性膜片的厚度优选为3μm～1000μm，更优选为5μm～50μm。可选的，刚性膜片的弹性模量大于或等于5GPa。进一步的，刚性膜片的弹性模量的范围为5GPa～100GPa。如果刚性膜片的弹性模量过低，则不能很好的阻挡固态锂金属电池制备过程中金属锂的延展和渗透。作为本申请刚性膜片的一种改进，刚性膜片的至少一个表面设置有涂层，涂层的材料选自锂离子导体、电子导体或电子-锂离子混合导体，以进一步提高刚性膜片的锂离子传导性能或电子传导性能。进一步可选的，涂层可设置于刚性膜片的一个表面上，也可设置于刚性膜片相对的两个表面上。进一步可选的，涂层的厚度为10nm～200μm。涂层厚度的上限可为200μm、180μm、150μm、120μm、100μm、75μm、50μm、25μm、20μm、15μm、10μm、5μm、3μm、2μm、1μm、900nm、800nm、700nm、600nm、500nm、400nm、300nm、250nm、200nm，涂层的厚度的下限可为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、70nm、90nm、100nm、120nm、150nm、180nm、190nm，涂层的厚度的范围可有上限和下限的任意数值组成。如果涂层过薄，则不能很好地起到改善电池导电或导锂离子的作用；如果涂层过厚，则会导致阳极活性物质层内的锂离子或电子传输阻抗增加，电池发生极化。作为本申请刚性膜片的一种示例，刚性膜片的仅一个表面设置有锂离子导体涂层，其结构示意图如图1所示，在图1中，刚性膜片3的一个表面设置有锂离子导体涂层31。作为本申请刚性膜片的一种示例，刚性膜片的仅一个表面设置有电子导体涂层；其结构示意图如图2所示，在图2中，刚性膜片3的一个表面设置有电子导体涂层32。作为本申请刚性膜片的一种示例，刚性膜片的一个表面设置有锂离子导体涂层、另一个表面设置有电子导体涂层。其结构示意图如图3所示，在图3中，刚性膜片3的一个表面设置有锂离子导体涂层31，另一个表面设置有电子导体涂层32。进一步可选的，锂离子导体涂层的厚度为50nm～200μm，优选为500nm～100μm。进一步可选的，电子导体涂层的厚度为10nm～200μm，优选为50nm～50μm。本申请实施例涂层的制备方法并无特殊限制，采用本领域内技术人员公知的方法即可，例如旋涂、喷涂或沉积等。进一步可选的，锂离子导体选自可嵌锂氧化物、单质镀层、聚合物固体电解质、硫化物固体电解质、氧化物固体电解质中的至少一种。其中，可嵌锂氧化物选自SiO、Fe2O3、CuO、TiO2、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚性膜片，其特征在于，所述刚性膜片设置于固态锂金属电池的固体电解质膜片与阳极极片之间，所述刚性膜片的材料选自金属元素、含有所述金属元素的合金中的至少一种；所述金属元素能够与锂形成合金。

【技术特征摘要】
1.一种刚性膜片，其特征在于，所述刚性膜片设置于固态锂金属电池的固体电解质膜片与阳极极片之间，所述刚性膜片的材料选自金属元素、含有所述金属元素的合金中的至少一种；所述金属元素能够与锂形成合金。2.根据权利要求1所述的刚性膜片，其特征在于，所述金属元素选自Ge、Sn、Al、Ga、In、Mg、Zn中的至少一种；所述含有所述金属元素的合金选自所述金属元素与锂形成的合金。3.根据权利要求1所述的刚性膜片，其特征在于，所述刚性膜片的厚度为1μm～1000μm，优选为3μm～1000μm，更优选为5μm～50μm。4.根据权利要求1所述的刚性膜片，其特征在于，所述刚性膜片的弹性模量大于或等于5GPa。5.根据权利要求1所述的刚性膜片，其特征在于，所述刚性膜片的至少一个表面设置有涂层；所述涂层的材料选自锂离子导体、电子导体或电子-锂离子混合导体。6.根据权利要求5所述的刚性膜片，其特征在于，所述刚性膜片的仅一个表面设置有锂离子导体涂层；或所述刚性膜片的仅一个表面设置有电子导体涂层；或所述刚性膜片的一个表面设置有锂离子导体涂层，所述刚性膜片的另一个表面设置有电子导体涂层。7.根据权利要求6所述的刚性膜片，其特征在于，所述锂离子导体涂层的厚度为50nm～200μm，优选为500nm～100μm；所述电子导体涂层的厚度为10nm～200μm，优选为50nm～50μm。8.根据权利要求5所述的刚性膜片，其特征在于，所述锂离子导体选自可嵌锂氧化物、单质镀层、聚合物固体电解质、硫化物固体电解质、氧化物固体电解质中的至少一种；所述可嵌锂氧化物选自SiO、Fe2O3、CuO、TiO2、MnO2、SnO、SnO2中的至少一种；所述单质镀层的材料选自Al、In、Mg、Sn、Ge、Si、C、Pb、Sb、Bi中的至少一种；所述聚合物固体电解质包括聚合物本体和锂盐，所述聚合物本体选自聚醚类聚合物、聚烯烃类聚合物、聚腈类聚合物、聚羧酸酯类聚合物中的至少一种，所述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiN(CF3SO2)2、LiAsF6、LiBC4O8、LiN(FSO2)2、氧化物快锂离子导体、硫化物快锂离子导体中的至少一种；优选的，所述聚合物本体与所述锂盐的质量比为20～80:80～20；优选的，所述聚醚类聚合物选自聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚乙二醇、聚乙二醇二甲醚、聚硅氧烷中的至少一种；所述聚烯烃类聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚偏四氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯中的至少一种；所述聚腈类聚合物选自聚丙烯腈、聚三聚腈...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成勇，郭永胜，蔡挺威，范铨，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35