一种固态电解质及其全固态锂金属电池制造技术

本发明专利技术属于固态电解质领域，更具体地涉及一种能够抑制锂枝晶的生长的固态电解质及其全固态锂金属电池，所述固态电解质包含第一电解质层和第二电解质层，且所述第二电解质层包含金属，可以使固态电解质在保证足够高的离子电导率的情况下解决锂金属枝晶所带来的安全问题，从而使采用该固态电解质的全固态锂金属电池兼具高机械强度、高循环性能和高安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种固态电解质及其全固态锂金属电池
本专利技术属于固态电解质领域，更具体地涉及一种能够抑制锂枝晶的生长的固态电解质及其全固态锂金属电池。
技术介绍
目前锂离子电池中所采用的液态电解质由于具有易泄露、易燃的特性，导致现在采用锂离子电池的电动汽车、储能产品存在巨大的安全风险，特别是伴随着近年来新能源行业的爆发式增长，电池起火爆炸的消息也是不绝于耳。因此消费者对于电池安全性的需求日益迫切。考虑到液态电解质自身的特性难以改变，不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题的固态电解质以及相应的固态锂金属电池成为了目前行业内公认的解决锂离子电池安全问题的最佳方案。在固态锂金属电池的充放电过程中，负极生成的锂枝晶可能会沿着电解质膜片的孔隙生长接触正极导致短路，为了解决短路问题就需要将电解质层完全致密化，对于氧化物固态电解质提高致密度的目前的技术方案主要是高温烧结成型，对于硫化物电解质的技术方案则是高压压制成型，但是要确保固态电池的能量密度达到甚至超过现有锂离子电池，电解质层的厚度必须控制在比较小的范围内，当采用薄层电解质时，电解质的强度会显著降低，导致加热或加压的过程中更容易出现由于应力不均导致的结构破损或裂纹。从而造成难以制备出满足需求的固态电解质层。
技术实现思路
鉴于上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种固态电解质以及全固态锂金属电池，所述全固态锂金属电池能够兼具高能量密度、高机械强度和高温安全性能。为达到上述目的，在本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种固态电解质，包含第一电解质层和第二电解质层，其特征在于，所述第二电解质层包含金属。在本专利技术的第二方面，本专利技术提供了一种全固态锂金属电池，其包括正极、锂金属负极及本专利技术第一方面所述的固态电解质，其中，所述第一电解质层靠近锂金属负极，第二电解质层靠近正极。相比于现有技术，本专利技术至少包括如下所述的有益效果：本专利技术的电解质采用固态电解质，包含第一电解质层和第二电解质层，且所述第二电解质层包含金属，可以使固态电解质在保证足够高的离子电导率的情况下解决锂金属枝晶所带来的安全问题，从而使采用该固态电解质的全固态锂金属电池兼具高机械强度、高循环性能和高安全性能。附图说明图1为本专利技术一实施例所述的一种含有双层固态电解质的全固态锂金属电池；图2为本专利技术一实施例所述的一种含有三层固态电解质的全固态锂金属电池。附图标记说明：1、负极；2、正极；3、第一电解质层；4、第二电解质层。具体实施方式下面详细说明本专利技术的固态电解质及全固态锂金属电池。首先说明本专利技术第一方面的固态电解质，其包含第一电解质层和第二电解质层，其中，所述第二电解质层包含金属。所述固态电解质为至少包含两个电解质层所形成的复合固态电解质，其中第二电解质层包含金属，专利技术人经过大量研究发现，第二电解质层中所包含的金属能够与锂发生合金化反应，将锂枝晶消耗掉，而且生成合金时体积的膨胀可以进一步减少电解质层的孔隙，从而有效改善锂枝晶刺穿电解质膜片导致短路的情况，避免了由此产生的电池燃烧爆炸事故。进一步地，所述第二电解质层的离子电导率对固态电解质的性能有一定影响，所述第二电解质层的离子电导率选择在0.1-20mS/cm范围内，可以有效地满足固态电解质对于电导率的需求，在所述第二电解质层中加入所述金属在一定程度上会降低固态电解质的锂离子电导率，因而，为满足所述固态电解质对于锂离子电导率的要求，须满足所述第二电解质层的离子电导率为0.1-20mS/cm。优选地，第二电解质层的离子电导率为0.1-20mS/cm。进一步地，所述金属与锂的合金化电位对固态电解质的性能有一定影响，合金化的电位处于比较合适的范围，对于改善固态电解质的性能会有更好的效果，该合金化电位值若太高，不利于与锂金属形成合金，虽然也可以有效地提高固态电池的安全性能，但将合金化电位选为0-2V，优选为0-0.6V的情况下，电池整体性能最佳。优选地，所述金属与锂金属的合金化电位为0-2V，优选为0-0.6V。进一步地，所述第二电解质层中的所述金属一定程度上会导致固态电解质电子电导率升高，可能会产生接触短路问题，且出于对金属的合金化电位等因素的考虑，金属种类的选择对固态电解质的安全性能有一定影响。优选地，所述金属选自Ge、Sn、Al、Ga、In、Mg和Zn中的一种或几种。更加优选地，所述金属选自Sn、Al、In、Mg和Zn中的一种或几种。进一步地，第二电解质层中添加所述金属的量对固态电解质的性能有一定影响，所述金属的量最好控制在5-60wt％，优选为10-25wt％，所述金属的量在固态电解质总重量中占比太大容易使固态电解质的电子电导率过高，从而可能造成固态电解质的离子电导率过低，不利用固态电解质的离子电导性能，其在固态电解质总重量中占比太小，则与锂形成合金的作用会有所降低，虽然也可以提高固态电池的安全性能，但其效果不如将金属的量控制在5-60wt％，优选为10-25wt％这样的范围下效果好。优选地，以固态电解质的重量为基准，所述金属的含量为5-60wt％，优选为10-25wt％。进一步地，所述金属的颗粒粒径对固态电解质的性能会产生一定影响，所述金属的颗粒粒径选择在0.01-100um，优选为0.05-5um的范围内，可以有效地提高固态电解质的性能，所述金属的颗粒粒径过大，则金属颗粒的比表面积较小，可与锂金属接触的界面变小，不利于快速全面的与锂发生合金化反应，虽然也可以改善固态电解质的安全性能，但效果低于将所述金属的颗粒粒径选择在0.01-100um、优选为0.05-5um的范围内所改善的效果好；所述金属的颗粒粒径过小可能会降低固态电解质的粘合性，导致内部曲折度增大，降低离子传导性能。优选地，所述金属的颗粒粒径为0.01-100um，优选为0.05-5um。所述固态电解质为无机和/或有机电解质，可以根据所需使用的产品及其场景对适用的锂金属电池固态电解质的强度、电解质的种类、电解质的比例等参数需求而定。优选地，所述固态电解质选自硫化物电解质、氧化物电解质或聚合物电解质中的一种或两种以上的混合物。进一步地，所述固态电解质选自Li3PS4、Li6PS5Cl、Li10GeP2S12、Li7P3S11、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3、Li3yLa(2/3-y)TiO3、Li7La3Zr2O12、Li5La3Bi2O12、PEO-LiTFSI、PEO-LiClO4、PVDF-HFP-LiTFSI中的一种或几种，其中，0<x<0.5，0<y<0.16。进一步地，固态电解质的厚度对固态电解质及其全固态锂金属电池的性能具有较大影响，此厚度的设置需满足全固态锂金属电池具备良好的离子传导性能，确保制得的全固态锂金属电池的能量密度达到所需水平，同时要避免在电池运行之后产生的体积膨胀过程中可能产生的电解质开裂、电池短路等危险情况。优选地，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态电解质，包含第一电解质层和第二电解质层，其特征在于，所述第二电解质层包含金属，且所述第二电解质层的离子电导率为1-20mS/cm。/n

【技术特征摘要】
1.一种固态电解质，包含第一电解质层和第二电解质层，其特征在于，所述第二电解质层包含金属，且所述第二电解质层的离子电导率为1-20mS/cm。


2.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述金属与锂的合金化电位为0-2V，优选为0-0.6V。


3.根据权利要求2所述的固态电解质，其特征在于，所述金属选自Ge、Sn、Al、Ga、In、Mg和Zn中的一种或几种。


4.根据权利要求3所述的固态电解质，其特征在于，所述金属选自Sn、Al、In、Mg和Zn中的一种或几种。


5.根据权利要求4所述的固态电解质，其特征在于，以固态电解质的重量为基准，所述金属的含量为5-60wt％，优选为10-25wt％。


6.根据权利要求5所述的固态电解质，其特征在于，所述金属的颗粒粒径为0.01-100um，优选为0.05-5um。


7.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，所述固态电解质选自硫化物电解质、氧化物电解质或聚合物电解质中的一种或几种。

【专利技术属性】
技术研发人员：梁成都，胡波兵，刘成勇，郭永胜，程萌，付佳玮，
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