一种锂金属负极电池结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂金属负极电池结构及其制备方法。包括正极结构、负极结构和设置在两者之间的聚合物固态电解质层，所述聚合物固态电解质层包括聚合物固态电解质材料；所述负极结构包括锂金属活性材料，所述负极结构面向聚合物固态电解质层的一侧形成有负极修饰层。所述聚合物固态电解质层包括聚合物固态电解质材料，聚合物电解质材料离子电导率高，电化学稳定，且其具有高杨氏模量使其与电极的界面接触性好，减小界面阻抗；同时在负极结构之上形成负极修饰层，负极修饰层作为电解质薄膜层，使得电荷均匀的分布在负极修饰层之上，很好的限制锂枝晶的形成，增强锂电池结构的稳定性，提高锂电池的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属负极电池结构及其制备方法
本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种锂金属负极电池结构及其制备方法。
技术介绍
锂电池由于具有较高的能量密度、良好的循环性、无记忆效应等特点受到人们的密切关注。锂金属负极材料具有最高的比容量(～3862mAh/g)，被认为新一代高比能量锂电池的负极材料。然而在充放电循环过程中，锂金属基的锂电池会生成锂枝晶，造成电池短路，发生爆炸。聚合物离子电解质导体具有离子电导率高(≥0.1mS/cm)、电化学稳定(≥4.5V)等优势，是柔性锂电池固态电解质的首选，其高杨氏模量的优势使其与电极的界面接触性良好，且不存在晶界问题，但其剪切模量相对较低，存在锂枝晶穿刺短路的风险。因此，如何在不牺牲聚合物离子导体现有高性能参数的前提下，抑制锂枝晶的生长将是解决锂电池应用于高能量密度领域的关键问题。
技术实现思路
为克服目前锂金属基负极锂电池稳定性不高，能量密度仍需提高的技术问题，本专利技术提供一种电极界面稳定，电池性能良好的锂金属负极电池结构及其制备方法。本专利技术为了解决上述技术问题，提供一技术方案：一种锂金属负极电池结构，包括正极结构、负极结构和设置在两者之间的聚合物固态电解质层，所述正极结构包括MxOy型过渡金属氧化物活性材料；所述聚合物固态电解质层包括聚合物固态电解质材料；所述负极结构包括锂金属活性材料，所述负极结构面向聚合物固态电解质层的一侧形成有负极修饰层，所述负极修饰层包括具有离子传导性能的石榴石型和反钙钛矿型、Li3PO4等锂化合物。优选地，所述负极修饰层包括石榴石型的Li7+yLa3Zr2-x-yMxAyO12(0≤x＜2,0≤y≤2和0≤x+y≤2，A＝Al、Ga、In、Sc、Y，M＝Ge、Zr、Hf等)、反钙钛矿型的Li3OX(X＝Cl、F、Br、I等)、Li2OHX(X＝Cl、F、Br、I等)、Li3PO4等锂化合物。优选地，负极修饰层包括至少一种所述锂化合物。优选地，所述负极修饰层的厚度为10-200nm。优选地，所述聚合物固态电解质层包括的聚合物固态电解质材料为有机聚合物电解质材料聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)中的任一种或非碳原子共价键形成的无机聚合物固态电解质材料Li2B12FxH12-x、反钙钛矿无机聚合物Li3OX(X＝Cl、F、Br、I等)、N掺杂的S基无机聚合物(LiSxNy)、及Li3Se(BH4)、Li3Se(AlH4)、Li3Se(BF4)等无机聚合物中的任一种。本专利技术为了解决上述技术问题，提供另一技术方案，一种锂金属负极电池结构的制备方法，制备方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、3D打印法、狭缝涂布法、刮刀涂布法或者微凹版涂布法。制备方法具体步骤如下：正极结构的制备；在正极结构上形成聚合物固态电解质层；在聚合物固态电解质层之上形成负极修饰层；在负极修饰层之上形成负极薄膜层；在负极薄膜层之上形成负极集流体得到电池结构。优选地，在正极结构上形成聚合物固态电解质层的具体方法为通过刮刀涂布的方式在正极结构之上涂覆一层聚合物固态电解质浆料，然后通过烘烤实现原位缩聚反应，形成聚合物固态电解质层。优选地，在聚合物固态电解质层之上形成负极修饰层的方法具体为磁控溅射法，磁控溅射法为物理气相沉积法中的一种，具体步骤如下：提供一形成有聚合物固态电解质层的正极结构作为底衬；负极修饰层靶材的安装；背底真空气压抽到低于5.0×10-4Pa；加热底衬温度：25-300℃。调节气压为0.5-1.5Pa，溅射功率为：60-120W，溅射时间为：10-60min，通入氩气进行溅射。优选地，气压为0.2Pa，溅射功率为70W，得到形成在聚合物固态电解质层之上的负极修饰层的厚度为：60nm。与现有技术相比，所述聚合物固态电解质层包括聚合物固态电解质材料；所述负极结构包括锂金属活性材料，所述负极结构面向聚合物固态电解质层的一侧形成有负极修饰层。所述聚合物固态电解质层包括聚合物固态电解质材料，聚合物电解质材料具有离子电导率高(≥0.1mS/cm)、电化学稳定(≥4.5V)等优势，是柔性锂电池固态电解质的首选，其高杨氏模量的优势使其与电极的界面接触性良好，很好的克服聚合物固态电解质层和负极结构之间的界面阻抗问题，提高导电离子的传导性能；同时在负极结构之上形成负极修饰层，负极修饰层作为电解质薄膜层，并设置在负极结构和聚合物固态电解质层之间，使得电荷均匀的分布在负极修饰层之上，很好的限制锂枝晶的形成，增强锂电池结构的稳定性，提高锂电池的使用寿命。所述负极修饰层包括所述锂化合物，使得负极修饰层具有很好的离子传导性能。负极修饰层包括至少一种所述锂化合物，更好的缓解负极修饰层与聚合物固态电解质层之间界面浓度的差异，使得导电离子更均匀的沉积在负极修饰层之上，更好的抑制锂枝晶的形成。所述负极修饰层的厚度为10-200nm，能很好的起到过渡修饰作用，缓解由于负极结构和聚合物固态电解质层之间的界面成分的差异造成的界面阻抗，同时抑制锂枝晶的生长，很好的保证导电离子的传输性能。通过物理气相沉积法、化学气相沉积法、3D打印法、狭缝涂布法、刮刀涂布法或者微凹版涂布法制备所述锂电池结构，使得形成各层的结构均匀性较好、很好的增强各相邻两层之间的接触性、降低接触界面之间的界面阻抗，提高导电性能。优选地，气压优选为0.2Pa，溅射功率优选为70W，得到形成在聚合物固态电解质层之上的负极修饰层的厚度为：60nm，使得负极修饰层的致密度和均匀性更好，更好的抑制锂枝晶的形成。同时使得导电离子更好的在聚合物固态电解质层和负极结构之间传导。【附图说明】图1是本专利技术中锂金属负极电池结构的整体结构示意图；图2是本专利技术中锂金属负极电池结构制备方法的流程图；图3是本专利技术中制备正极结构的流程图；图4是本专利技术中在正极结构上形成聚合物固态电解质层的流程图；图5是本专利技术中在固态电解质之上形成负极修饰层的流程图；图6是本专利技术中在负极修饰层之上形成负极薄膜层的流程图；图7是本专利技术中在负极薄膜层之上形成负极集流体得到电池结构的流程图。【具体实施方式】为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请参阅图1，一种锂金属负极电池结构10，包括正极结构100、负极结构300和设置在两者之间的聚合物固态电解质层200，所述聚合物固态电解质层200包括聚合物固态电解质材料；所述负极结构300包括锂金属活性材料，所述负极结构300面向聚合物固态电解质层200的一侧形成有负极修饰层400，所述负极修饰层包括具有离子传导性能的石榴石型、反钙钛矿型、Li3PO4等锂化合物；所述正极结构100、聚合物固态电解质层200、负极修饰层400和负极结构300依次叠加设置，且所述负极修饰层400与聚合物固态电解质层200接触。正极结构100包括正极集流体101和形成在所述正极集流体101之上面向聚合物固态电解质层200一侧的正极薄膜层102。正极集流体101选自Al、Pt、Au、Cu、Ag、Mo、Ni、不锈钢等金属材料中的任意一种，其厚度为0.5-2μm，优选为1μm。正极薄膜层102包括MxOy型过渡金属氧化物电极材料，M本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属负极电池结构，其特征在于：包括正极结构、负极结构和设置在两者之间的聚合物固态电解质层，所述正极结构包括MxOy型过渡金属氧化物活性材料；所述聚合物固态电解质层包括聚合物固态电解质材料；所述负极结构包括锂金属活性材料，所述负极结构面向聚合物固态电解质层的一侧形成有负极修饰层，所述负极修饰层包括具有离子传导性能的石榴石型、反钙钛矿型、Li3PO4等锂化合物。

【技术特征摘要】
1.一种锂金属负极电池结构，其特征在于：包括正极结构、负极结构和设置在两者之间的聚合物固态电解质层，所述正极结构包括MxOy型过渡金属氧化物活性材料；所述聚合物固态电解质层包括聚合物固态电解质材料；所述负极结构包括锂金属活性材料，所述负极结构面向聚合物固态电解质层的一侧形成有负极修饰层，所述负极修饰层包括具有离子传导性能的石榴石型、反钙钛矿型、Li3PO4等锂化合物。2.如权利要求1所述的锂金属负极电池结构，其特征在于：所述负极修饰层包括石榴石型的Li7+yLa3Zr2-x-yMxAyO12(0≤x＜2,0≤y≤2和0≤x+y≤2，A＝Al、Ga、In、Sc、Y，M＝Ge、Zr、Hf等)、反钙钛矿型的Li3OX(X＝Cl、F、Br、I等)、Li2OHX(X＝Cl、F、Br、I等)、Li3PO4等锂化合物。3.如权利要求2所述的锂金属负极电池结构，其特征在于：负极修饰层包括至少一种所述锂化合物。4.如权利要求1所述的锂金属负极电池结构，其特征在于：所述负极修饰层的厚度为10-200nm。5.如权利要求1所述的锂金属负极电池结构，其特征在于：所述聚合物固态电解质层包括的聚合物固态电解质材料为有机聚合物电解质材料聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)中的任一种或非碳原子共价键形成的无机聚合物固态电解质材料Li2B12FxH12-x、反钙钛矿无机聚合物Li3OX(X＝Cl、F、Br、I等)、N掺杂的S基无机聚合物(LiSxNy)、及Li3Se(BH4)、Li3Se(AlH...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓琨，
申请(专利权)人：成都亦道科技合伙企业有限合伙，
类型：发明
国别省市：四川,51