一种复合负极、固态锂电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种复合负极，包括负极集流体和活性层，所述活性层包括液态合金，所述液态合金的主要成分为Ga

【技术实现步骤摘要】
一种复合负极、固态锂电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种复合负极、固态锂电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂电池有着能量密度高、循环性能好等优点而被广泛应用，然而由于采用液态有机溶剂用作电解液，会造成电池漏液、鼓气、起火等，给电池体系带来较为严峻的安全隐患。固态锂电池因采用固态电解质替代现有电池中使用的有机液态电解液，从而可大大提高电池的安全性能。
[0003]然而，固态锂电池中也会存在锂枝晶的生长问题，在电池循环中，由于高倍率充电或锂离子在电池负极表面沉积不均匀，使得负极会出现枝状的锂金属，即锂枝晶，其在锂离子沉积过程中，会沿着固态电解质颗粒的缝隙或者颗粒边界逐渐生长，从而会刺穿固态电解质层连接正负极，使得电池存在内短路的风险。针对此问题，现有技术中常选用三维结构的集流体用作负极集流体，或直接将负极活性材料制备成三维结构，如多孔结构，此三维结构可使得锂金属沉积更加均匀，可减少锂枝晶的生长概率，但是，在大电流密度或高过电势的情况下，锂枝晶生长问题仍然严重；此外，还可采用在负极与固态电解质层间设置保护层或缓冲层的方法，进行缓解锂枝晶的生长，但是，随着锂枝晶以及反反应副产物的出现，这些保护层或缓冲层会逐渐失去效用，导致并不能持久防止锂枝晶带来的电池内短路问题。

技术实现思路

[0004]为解决锂电池中锂枝晶的生长以及其带来的电池内短路的技术问题，本专利技术提供了一种复合负极、固态锂电池及其制备方法，该复合负极的采用，使得锂电池中锂枝晶生长刺穿固态电解质层的问题得到了很好的解决，且可持久的保护电池避免锂枝晶带来的内短路问题。
[0005]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种复合负极，包括负极集流体和活性层，所述活性层包括液态合金，所述液态合金的主要成分为Ga
x
In
y
Sn
z
M
w
，其中，M选自Bi、Pb、Cd、Zn、Tl中的一种或几种，x+y+z+w=1，0.5<x<0.999，0≤y<0.5，0≤z<0.3，0≤w<0.2。
[0006]与现有技术相比，本专利技术所提供的负极中含有液态合金，即在常温下呈现液态，其熔点不高于40℃，且相对于固态而言，液态有着更小的空间位阻，因而该负极用作锂电池负极时，负极生长的锂枝晶会优先选择在液态合金中生长，而不会选择朝向固态电解质中生长，从而可有效降低因锂枝晶生长导致电池内短路的概率，从而大大提高了电池的安全性能；不仅如此，该液态合金还有着极好的锂离子传输性能，且本专利技术所提供的负极中的液体合金靠近固态电解质放置，相较于负极中的固态物质与固态电解质接触而言，液态合金与固态电解质层的接触性更好，更有利于锂离子的传输；此外，液态合金还具有优异的电子导电性，同时有助于电子的传输，使得负极能够快速的进行电化学反应，降低负极阻抗，从而有助于提高和改善电池的整体性能。
[0007]第二方面，本专利技术提供了一种固态锂电池，包括正极、固态电解质和上所述的复合
负极。
[0008]本专利技术所提供的固态锂电池有着不同于现有技术中的负极，现有技术中的负极通常呈现三维结构，可为锂枝晶的生长提供空间，从而有助于改善锂枝晶生长带来的电池内短路问题，然而在高倍率充电下仍会存在锂枝晶生长刺穿固态电解质层，导致电池内部短路。而本专利技术所提供的固态锂电池的负极中含有液态合金，液态合金可为锂枝晶的生长提供空间，即在电池循环中，即使有锂枝晶产生，锂枝晶也会在液态合金中生长，因为相较于固态电解质而言，液态合金的硬度小、有着更多的生长空间，从而不会发生刺穿固态电解质层连接正负极导致短路的现象，从而大大提高了电池的安全性能。此外，负极中含有液态合金，其可与固态电解质间的接触性更好，更有利于锂离子的传输，且液态合金本身也有着极好的锂离子传输性能和电子传输性能，从而还有助于降低负极阻抗，提高电池综合性能。
[0009]第三方面，本专利技术提供了上所述固态锂电池的制备方法，包括如下步骤：（1）在正极集流体上涂覆含有正极活性物质的正极浆料得到正极；（2）在步骤（1）中的正极活性物质表面涂覆固态电解质，得到带有固态电解质的正极；（3）在低于液态合金的熔点下，将含有液态合金的活性层与负极集流体组合得到负极，再与步骤（2）所得的带有固态电解质的正极组合，得到固态锂电池；其中，液态合金的主要成分为Ga
x
In
y
Sn
z
M
w
，其中，M选自Bi、Pb、Cd、Zn、Tl中的一种或几种，x+y+z+w=1，0.5<x<0.999，0≤y<0.5，0≤z<0.3，0≤w<0.2。
[0010]与现有技术相比，本专利技术所提供的固态锂电池的制备方法简便、易操作，且制备中加入了液态合金材料，该材料的加入使得制备得到的固态锂电池在正常使用条件下，负极中存在液态合金，其可为锂枝晶的生长提供空间，使得电池中即使有锂枝晶产生，锂枝晶会优先选择向液态合金中生长，而不会选择朝向固态电解质方向生长，因为固态电解质的硬度相较于液态合金而言更大，从而大大降低了锂枝晶刺穿固态电解质带来的电池内短路的概率，提高了电池的安全性能。不仅如此，该方法制备得到的锂电池中，负极中的液体合金与固态电解质接触性更好，有利于锂离子的传输，且本身也具有较好的锂离子传输性能，从而有助于改善电池性能。
具体实施方式
[0011]为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，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用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0012]第一方面，本专利技术提供了一种复合负极，包括负极集流体和活性层，活性层包括液态合金，液态合金的主要成分为Ga
x
In
y
Sn
z
M
w
，其中，M选自Bi、Pb、Cd、Zn、Tl中的一种或几种，x+y+z+w=1，0.5<x<0.999，0≤y<0.5，0≤z<0.3，0≤w<0.2。
[0013]合金中含有元素Ga，使得合金的熔点较低，可在常温下呈现液态，即其熔点不高于40℃，且这种含有Ga元素的合金还具有良好的传输锂离子的性能，因而可选用这样的液态合金用作锂电池负极。
[0014]此外，由于该复合负极中采用了含Ga的液态合金，使得该负极有了一定抵抗锂枝晶生长的能力，液态合金可为锂枝晶的生长提供空间，在电池循环中，即使产生了锂枝晶，由于位阻原因，锂枝晶也更易在位阻较小的液态合金中生长，而不会朝着位阻大（硬度大）
的固态电解质中生长，进而避免了电池内部短路现象的发生，有助于提高电池的安全性能。不仅如此，含有液态合金的负极，还可降低负极与固态电解质间的界面阻抗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合负极，其特征在于，包括负极集流体和活性层，所述活性层包括液态合金，所述液态合金的主要成分为Ga
x
In
y
Sn
z
M
w
，其中，M选自Bi、Pb、Cd、Zn、Tl中的一种或几种，x+y+z+w=1，0.5<x<0.999，0≤y<0.5，0≤z<0.3，0≤w<0.2。2.根据权利要求1所述的复合负极，其特征在于，所述活性层还包括负极活性物质，所述负极活性物质为锂金属、可嵌锂的物质、可可逆地与锂形成合金或化合物的物质中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的复合负极，其特征在于，所述活性层为层叠设置的负极活性物质层和液态合金层，且所述负极活性物质层靠近所述负极集流体。4.根据权利要求2所述的复合负极，其特征在于，所述活性层为负极活性物质与液体合金混合得到。5.根据权利要求2所述的复合负极，其特征在于，所述负极活性物质在所述活性层中的占比为50-99wt%。6.根据权利要求3所述的复合负极，其特征在于，所述液态合金层的厚度为1-15μm。7.一种固态锂电池，其特征在于，包括正极、固态电解质和权利要求1-6中任意一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：历彪，郭姿珠，胡屹伟，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：