固态电池的负极及其制备方法和固态电极技术

本发明专利技术提出固态电池的负极及其制备方法和固态电池。所述负极包括：导电材料；结合层，结合层包覆在所述导电材料的表面上；活性物质层，活性物质层设置在结合层的表面上；电解质层，电解质层包覆在活性物质层和结合层的表面上。由此，导电材料为负极提供快速的电子通道，电解质层的设置为负极提供连续的离子通道，以满足负极的工作要求；活性物质层的设置可以为使用该负极的电池提供高的比容量；结合层的设置可以提高活性物质层均匀的分布于导电材料表面，避免负极在导电材料表面严重团聚；且将电解质层设置在活性物质层的表面上，不仅可以进一步避免活性物质层脱落，且对活性物质层中的活性物质的膨胀效应有一定的抑制作用，这样在电池充放电过程中不会引起负极厚度或体积的变化。

【技术实现步骤摘要】
固态电池的负极及其制备方法和固态电极
本专利技术涉及电池
，特别涉及负极及其制备方法和固态电极。
技术介绍
随着社会的发展和进步，人们对高能量密度锂电池的需求越来越强烈。目前商用锂电池大多采用含有可燃有机溶剂的液态电解液，存在易挥发、易燃、易爆的风险，具有很严重的安全问题；固态电池作为下一代最具潜力的电化学储能装置，有望从根本上彻底解决电池的安全问题。目前常用固态电池的负极主要有石墨、硅(Si)负极、锂金属等，其中，石墨电极由于其较低的比容量，已经严重制约了电池能量密度的提高，但是其具有较好的倍率性能及循环寿命；硅负极具有很高的理论比容量(可达到4200mAh/g)，但是其也存在很严重的体积膨胀问题，且首次可逆容量较低；锂金属作为负极材料时，在循环过程中极易产生锂枝晶造成电池短路，且其会发生无限制的体积膨胀，粉化严重，同时锂金属极其活泼，极易与空气中的水分、氧气等发生反应，生产成本高，生产困难。因此，开发一种具有高比容量，便于加工，能够满足人们对于高能量密度电池需求的负极材料迫在眉睫。因此，关于固态电池的负极的研究有待深入。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种固态电池的负极，该负极体积膨胀不明显，可以提高使用该负极的比容量、倍率性能、循环性能或能量密度。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术的一个目的在于提出一种固态电池的负极。根据本专利技术的实施例，包括：导电材料；结合层，所述结合层包覆在所述导电材料的表面上；活性物质层，所述活性物质层设置在所述结合层的部分表面上；电解质层，所述电解质层包覆在所述活性物质层和所述结合层的表面上。由此，导电材料为负极提供快速的电子通道，电解质层的设置为负极提供连续的离子通道，以满足负极的工作要求；活性物质层的设置可以为使用该负极的电池提供高的比容量；结合层的设置可以提高导电材料与活性物质层之间的结合力，保证活性物质层均匀的分布于导电材料表面；且将电解质层设置在活性物质层的表面上，不仅可以进一步避免活性物质层脱落，且对活性物质层中的活性物质的膨胀效应有一定的抑制作用，这样在电池充放电过程中不会引起负极厚度或体积的变化。根据本专利技术的实施例，所述导电材料包括碳纸、泡沫铜、泡沫镍或泡沫铝或类3D多孔导电材料，优选所述碳纸，所述碳纸满足以下条件至少之一：厚度为100～300微米；形成所述碳纸的碳纤维直径为2～10微米。根据本专利技术的实施例，形成所述结合层的材料包括氧化锌、氧化铝、一氧化硅、二氧化硅、二氧化锗、硅、锗、铝、镍、镁和银中的至少一种，优选氧化锌，所述结合层的厚度为纳米级。根据本专利技术的实施例，所述活性物质包括活性物质，所述活性物质层包括硅、一氧化硅、二氧化硅和硅碳复合材料中的至少一种；所述活性物质层还包括粘结剂，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶和聚酰亚胺中的至少一种；所述活性物质层还包括导电剂，所述导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、导电石墨(KS-6、碳纳米管和石墨烯中的至少一种；基于所述负极的总质量，活性物质的质量百分含量为5～50％。根据本专利技术的实施例，所述电解质层包括有机物、固体电解质中的至少一种，以及锂盐；所述有机物选自聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸乙烯酯、丁二腈、聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的至少一种；所述锂盐选自高氯酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、双乙二酸硼酸锂和四氟硼酸锂中的至少一种；所述固体电解质选自聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质中的至少一种；基于所述负极的总质量，所述电解质层的质量百分含量为5％～60％；所述负极的孔隙率为5％～85％。本专利技术的另一目的在于提出一种制备固态电池的负极的方法，该方法简单，易操作，制备成本低，或易于工业化生产。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：根据本专利技术的实施例，制备前面所述的固态电池的负极的方法包括：在导电材料的表面上形成结合层；在所述结合层的表面上形成活性物质层，并进行第一干燥处理，以便在所述结合层的部分表面上形成活性物质层；在所述活性物质层和所述结合层的表面上形成电解质溶液层或电解质熔融液体层，并进行第二干燥处理，以便在所述活性物质层和所述结合层的表面上形成电解质层。由此，由上述方法制备的负极中的导电材料为负极提供快速的电子通道，电解质层为负极提供连续的离子通道，以满足负极的工作要求；活性物质层为使用该负极的电池提供高的比容量；结合层可提高导电材料与活性物质层之间的结合力，保证活性物质层均匀的分布于导电材料表面；且将电解质层形成在活性物质层的表面上，不仅可以进一步避免活性物质层脱落，且对活性物质层中的活性物质的膨胀效应有一定的抑制作用，这样在电池充放电过程中不会引起负极厚度或体积的变化；此外，上述制备方法简单，易操作，制备成本低，易于工业化生产。根据本专利技术的实施例，在所述导电材料的表面上形成所述结合层是通过以下方法之一得到的：方法一：将所述导电材料在含功能元素的有机溶液中浸泡一定时间；对浸泡后的所述导电材料进行高温烧结，以便在所述导电材料的表面上形成所述结合层，方法二：通过磁控溅射或高温喷涂直接在所述导电材料的表面上形成所述结合层；所述含功能元素的有机溶液是通过以下步骤得到的：将功能元素源、表面活性剂和有机溶剂混合搅拌，以便得到所述含功能元素的有机溶液；所述功能元素源为二水乙酸锌、无水乙酸锌、醋酸铝、正硅酸乙酯和四氯化锗中的至少一种；所述功能元素源中功能元素的浓度为0.5～2mol/L。根据本专利技术的实施例，形成所述活性物质层的浆料是通过以下步骤得到的：将硅、一氧化硅、二氧化硅和硅碳复合材料中的至少一种、粘结剂和溶剂混合均匀，以便得到所述浆料。根据本专利技术的实施例，形成所述电解质溶液层的电解质溶液是通过以下步骤得到的：将有机物和固体电解质中的至少一种、锂盐和溶剂混合；所述电解质溶液的固含量为2％～15％；所述电解质熔融液体是通过以下步骤得到的：将有机物和固体电解质中的至少一种与锂盐混合熔融。本专利技术的又一目的在于提出一种固态电池。根据本专利技术的实施例，所述固态电池包括前面所述的负极。由此，所述固态电池循环性好，循环容量保持率高，使用寿命长。本领域技术人员可以理解，所述固态电池相对于现有技术具有上述负极所有的特征和优点，在此不再赘述。附图说明图1是本专利技术一个实施例中制备固态电池的负极的方法流程图；图2是本专利技术另一个实施例中制备固态电池的负极的方法流程图；图3是本专利技术另一个实施例中制备固态电池的负极的方法流程图图4是本专利技术实施例1所采用的碳纸的扫描电镜图；图5是本专利技术实施例1中所采用碳纸的EDS图；图6是本专利技术实施例1中形成氧化锌层后的扫描电镜图；图7是本专利技术实施例1中形成氧化锌层后的EDS图；图8是本专利技术实施例1中形成活性物质层后的扫面电镜图；图9是本专利技术实施例1中形成电解质层后的扫面电镜图；图10是本专利技术实施例1中固态电池的充放电曲线图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。需要说明的是，在不冲突的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态电池的负极，其特征在于，包括：导电材料；结合层，所述结合层包覆在所述导电材料的表面上；活性物质层，所述活性物质层设置在所述结合层的部分表面上；电解质层，所述电解质层包覆在所述活性物质层和所述结合层的表面上。

【技术特征摘要】
1.一种固态电池的负极，其特征在于，包括：导电材料；结合层，所述结合层包覆在所述导电材料的表面上；活性物质层，所述活性物质层设置在所述结合层的部分表面上；电解质层，所述电解质层包覆在所述活性物质层和所述结合层的表面上。2.根据权利要求1所述的负极，其特征在于，所述导电材料包括碳纸、泡沫铜、泡沫镍或泡沫铝或类3D多孔导电材料，优选所述碳纸，任选的，所述碳纸满足以下条件至少之一：厚度为100～300微米；形成所述碳纸的碳纤维直径为2～10微米。3.根据权利要求1所述的负极，其特征在于，形成所述结合层的材料包括氧化锌、氧化铝、一氧化硅、二氧化硅、二氧化锗、硅、锗、铝、镍、镁和银中的至少一种，优选氧化锌，任选的，所述结合层的厚度为纳米级。4.根据权利要求1所述的负极，其特征在于，所述活性物质层包括活性物质，所述活性物质包括硅、一氧化硅、二氧化硅和硅碳复合材料中的至少一种；任选的，所述活性物质层还包括粘结剂，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶和聚酰亚胺中的至少一种；任选的，所述活性物质层还包括导电剂，所述导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、导电石墨、碳纳米管和石墨烯中的至少一种；任选的，基于所述负极的总质量，所述活性物质的质量百分含量为5～50％。5.根据权利要求1所述的负极，其特征在于，所述电解质层包括有机物和固体电解质中的至少一种，以及锂盐，所述有机物选自聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸乙烯酯、丁二腈、聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的至少一种；所述锂盐选自高氯酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、双乙二酸硼酸锂和四氟硼酸锂中的至少一种；所述固体电解质选自聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质中的至少一种，任选的，基于所述负极的总质量，所述电解质层的质量百分含量为5％～60％。任选...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓宁，蔡挺威，柳在律，秦士林，王龙飞，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32