一种锂金属电池正极、锂金属电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂金属电池正极，包括正极集流体和正极活性物质层，所述正极活性物质层由正极浆料复合在所述正极集流体的至少一表面而成，所述正极浆料包括包覆有第一固态电解质颗粒的正极活性物质、第二固态电解质颗粒、导电剂和粘结剂。本发明专利技术通过采用第一固态电解质颗粒对正极活性材料包覆，提高了正极活性物质的热稳定性。本发明专利技术在正极浆料中添加有第二固态电解质颗粒，填充到第一固态电解质颗粒包覆的正极活性物质之间的空隙中，在注入液态电解液之后，可以减少正极活性物质层和集流体吸附液态电解液的比例，从而提高锂金属电池的热稳定性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电池正极、锂金属电池及其制备方法
本专利技术属于锂金属电池
，尤其涉及一种锂金属电池正极、锂金属电池及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池由于其工作电压高、自放电小、无记忆效应、对环境友好等特点而广泛应用于各种电子设备和电动储能设备中。尤其是在手机中的应用，由于手机越来越轻薄化，对电池的能量密度要求越来越高。为了提升锂离子电池的能量密度，关键是寻找高容量的正负极活性材料。金属锂负极理论比容量为3860mAh/g，电压平台为-3.04V(vs标准氢电极)，并具有极好的导电性，非常适合作为高能量密度电池的负极。困扰金属锂负极的主要问题主要是锂枝晶的问题，在循环过程中，由于局部极化的因素，使得金属锂表面生长锂枝晶，当锂枝晶生长到一定程度的时候就可能穿透隔膜，引发安全问题。为了改善锂金属电池安全性，固态电池是一个主要方向。但是，固态电解质与锂金属电池的界面兼容性较差，导致锂金属电池的循环性能较差。鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂金属电池正极，能够提高正极活性物质的热稳定性和锂金属电池的安全性。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种锂金属电池正极，包括正极集流体和正极活性物质层，所述正极活性物质层由正极浆料复合在所述正极集流体的至少一表面而成，所述正极浆料包括包覆有第一固态电解质颗粒的正极活性物质、第二固态电解质颗粒、导电剂和粘结剂。第一固态电解质颗粒选用锂离子电导率高、热稳定性好的固态电解质材料，经过第一固态电解质颗粒包覆后，正极活性物质的比容量不但不会受到限制，而且可以提高正极活性物质的高温循环寿命。其中，正极活性物质为可逆脱嵌锂离子的物质，包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钴锂和富锂锰基中的至少一种。正极集流体包括但不限于铝箔。导电剂包括导电碳黑、导电石墨、导电碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。导电剂包括但不限于上述几种，为锂离子电池常用导电剂即可。粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯和聚酰胺中的至少一种。粘结剂包括但不限于上述几种，为锂离子电池常用粘结剂即可。第一固态电解质颗粒包覆正极活性物质的方法包括但不限于射频磁控溅射方法、包覆机包覆方法或制备成前驱体后烧结方法。作为本专利技术所述的锂金属电池正极的一种改进，所述第一固态电解质颗粒为晶态氧化物固态电解质颗粒。这是因为氧化物固态电解质的还原电位一般大于3V，能够满足现有需求。并且，晶态氧化物固态电解质对空气中的水汽不敏感，不易吸收空气中的水分，能够避免水分与金属锂反应造成安全事故。需要说明的是，第一固态电解质颗粒不能是非晶态氧化物固态电解质颗粒，这是因为非晶态的氧化物固态电解质颗粒对空气中的水汽敏感，容易吸收空气中的水分，而锂金属遇水会起火甚至爆炸。第一固态电解质颗粒也不能选用硫化物固态电解质颗粒，这是因为硫化物固态电解质的电化学稳定窗口较低，一般在3V以下。第一固态电解质颗粒不能选用聚合物固态电解质，这是因为其需要在高温下才具有良好的离子电导率。作为本专利技术所述的锂金属电池正极的一种改进，所述氧化物固态电解质颗粒包括石榴石型氧化物固态电解质颗粒、钙钛矿型氧化物固态电解质颗粒和NASICON型氧化物固态电解质颗粒中的至少一种。第一固态电解质颗粒为NASICON型的氧化物固态电解质，这是因为其包覆正极活性物质后可以形成稳定的复合结构。作为本专利技术所述的锂金属电池正极的一种改进，所述氧化物固态电解质颗粒包括锂镧钛氧、锂镧锆氧和磷酸钛铝锂中的至少一种。其中，锂镧钛氧(LLTO)为钙钛矿型氧化物固态电解质，锂镧锆氧(LLZO)为石榴石型固态电解质，磷酸钛铝锂(LATP)为NASICON型固态电解质。作为本专利技术所述的锂金属电池正极的一种改进，所述第二固态电解质颗粒的粒径为1～1000nm，所述第二固态电解质颗粒为非可燃型固态电解质。更进一步的，第二固态电解质颗粒的粒径优选为100～1000nm之间的任意数值，包括但不限于100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm。作为本专利技术所述的锂金属电池正极的一种改进，所述第二固态电解质颗粒包括氧化物固态电解质颗粒、硫化物固态电解质颗粒和聚合物固态电解质颗粒中的至少一种。第二固态电解质颗粒的主要作用是填充到第一固态电解质颗粒包覆的正极活性物质之间的空隙中，在注入液态电解液之后，可以减少正极活性物质层和集流体吸附液态电解液的比例。优选的，第二固态电解质颗粒为晶态氧化物固态电解质颗粒，这是因为晶态氧化物固态电解质颗粒对空气稳定性较好，对水汽不敏感且电化学稳定窗口较高。作为本专利技术所述的锂金属电池正极的一种改进，所述包覆有第一固态电解质的正极活性物质、所述第二固态电解质颗粒、所述导电剂和所述粘结剂的质量比为，所述包覆有第一固态电解质的正极活性物质：所述第二固态电解质颗粒：所述导电剂：所述粘结剂＝86～97.4：2～10：0.1～2：0.5～2。本专利技术的目的之二在于，提供一种锂金属电池，包括正极、负极、设置于所述正极和所述负极之间的隔膜、以及电解质，所述正极为说明书前文任一项所述的锂金属电池正极，所述电解质为原位聚合的类固态电解质，所述电解质包括锂盐、有机溶剂、添加剂和引发剂。需要说明的是，相对于固态电池中的固态电解质，类固态锂电池可以提升界面的浸润性和稳定性，降低界面阻抗，使得电池具有较好的倍率性能及循环寿命。隔膜包括聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯和聚丙烯复合膜、聚酰亚胺膜和陶瓷膜中的任意一种。优选的，隔膜为不导电子的固态电解质膜。锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)、锂4,5-二氰基-2-(三氟甲基)异吡唑(LiTDI)和六氟砷酸锂(LiAsF6)中的至少一种。锂盐包括但不限于上述几种，为锂离子电池电解质常用锂盐即可。有机溶剂包括碳酸酯、羧酸酯、氟代碳酸酯、醚、氟代醚、磷腈中的至少一种。有机溶剂包括但不限于上述几类，为锂离子电池电解质常用有机溶剂即可。优选的，碳酸酯类有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯和碳酸甲乙酯中的至少一种，羧酸酯类有机溶剂包括丙酸丙酯、丙酸乙酯、乙酸丙酯、丁酸丁酯和丁酸乙酯中的至少一种，醚类及氟代醚类有机溶剂包括1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、乙二醇双丙腈醚和八氟戊基-四氟乙基醚中的至少一种，磷腈类有机溶剂包括乙氧基五氟环三磷腈、六氯环三磷腈中的至少一种。磷腈类有机溶剂还可以作为阻燃添加剂。引发剂包括偶氮类引发剂或过氧化物引发剂。偶氮类引发剂包括偶氮二异丁腈等，过氧化物引发剂包括过氧化二苯甲酰、过硫酸铵等。其中，锂盐占电解质总质量的10～15％，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属电池正极，其特征在于，包括正极集流体和正极活性物质层，所述正极活性物质层由正极浆料复合在所述正极集流体的至少一表面而成，所述正极浆料包括包覆有第一固态电解质颗粒的正极活性物质、第二固态电解质颗粒、导电剂和粘结剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池正极，其特征在于，包括正极集流体和正极活性物质层，所述正极活性物质层由正极浆料复合在所述正极集流体的至少一表面而成，所述正极浆料包括包覆有第一固态电解质颗粒的正极活性物质、第二固态电解质颗粒、导电剂和粘结剂。


2.根据权利要求1所述的锂金属电池正极，其特征在于，所述第一固态电解质颗粒为晶态氧化物固态电解质颗粒。


3.根据权利要求2所述的锂金属电池正极，其特征在于，所述氧化物固态电解质颗粒包括石榴石型氧化物固态电解质颗粒、钙钛矿型氧化物固态电解质颗粒和NASICON型氧化物固态电解质颗粒中的至少一种。


4.根据权利要求3所述的锂金属电池正极，其特征在于，所述氧化物固态电解质颗粒包括锂镧钛氧、锂镧锆氧和磷酸钛铝锂中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的锂金属电池正极，其特征在于，所述第二固态电解质颗粒的粒径为1～1000nm，所述第二固态电解质颗粒为非可燃型固态电解质。


6.根据权利要求1所述的锂金属电池正极，其特征在于，所述第二固态电解质颗粒包括氧化物固态电解质颗粒、硫化物固态电解质颗粒和聚合物固态电解质颗粒中的至少一种。

【专利技术属性】
技术研发人员：徐雄文，
申请(专利权)人：湖南立方新能源科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43