一种复合固态电解质及固态锂电池制造技术

本发明专利技术提供一种复合固态电解质，为层状结构，包括至少一个重复单元，所述重复单元为依次设置的第一固态电解质层、阻隔层和第二固态电解质层，所述阻隔层含有阻隔材料，所述阻隔材料可与锂金属反应生成不导离子且不导电子的绝缘物质。由于阻隔层中含有可与锂金属发生反应的阻隔材料，从而可以完全阻止负极生长的锂枝晶刺穿固态电解质层到达正极，避免了正负极接触导致的内短路，提高了电池的安全性能。提高了电池的安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种复合固态电解质及固态锂电池


[0001]本专利技术涉及固态锂电池
，尤其涉及一种复合固态电解质及固态锂电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池相较于传统铅蓄电池、镍氢电池等有着能量密度高、循环性能好、无记忆效应等优点，因而得到广泛应用与研究。目前普遍使用的锂离子电池中采用含有锂盐和有机溶剂的液体电解液作为传输锂离子的介质，由于有机溶剂易挥发且熔点低，电池使用中也易发生漏液、胀气等不良现象，使得电池存在起火、燃烧等安全隐患，因而提高电池的安全性能成为迫切要求。
[0003]固态锂电池由于采用固态电解质取代现有的有机液态电解质，从而不会出现漏液、胀气等不良现象，使得电池的安全性能得到了提升，成为电池领域的新宠儿。固然固态锂电池在安全性能方面和优异，但是仍存在锂枝晶生长的问题，即电池循环中，负极产生的锂枝晶会刺穿固态电解质层到达正极，造成正负极接触短路，也会引发电池安全问题。目前研究中，较多采用在固态电解质层与金属锂负极间设有一保护层或缓冲层，可达到延缓锂枝晶刺穿电解质层的目的，但是随着电池反应的不断进行，随着锂枝晶以及副产物的生长，该保护层或缓冲层会逐渐失去效用，即该方法无法长久的避免电池内短路的现象。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中固态锂电池中存在的锂枝晶生长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固态电解质及固态锂电池，由于阻隔层中含有可与锂金属发生反应的阻隔材料，从而可以完全阻止负极生长的锂枝晶刺穿固态电解质层到达正极，避免了正负极接触导致的内短路，提高了电池的安全性能。
[0005]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种复合固态电解质，为层状结构，包括至少一个重复单元，所述重复单元为依次设置的第一固态电解质层、阻隔层和第二固态电解质层，所述阻隔层含有阻隔材料，所述阻隔材料可与锂金属反应生成不导离子且不导电子的绝缘物质。
[0006]与现有技术相比，本专利技术所提供的复合固态电解质，并不是在固态电解质层表面涂覆保护层，而是在固态电解质层之间设置阻隔层，且该阻隔层中的阻隔材料可与金属锂发生反应，生成不导离子也不导电子的绝缘物质，当负极产生的锂枝晶刺穿靠近负极一侧的固态电解质层时会接触到阻隔层，此时锂枝晶会与阻隔层中的阻隔材料发生反应，产生既不导离子也不导电子的绝缘物质，由于锂枝晶周围无法传导锂离子，也无法传输电子，从而可有效抑制锂枝晶继续生长刺穿阻隔层、刺穿正极一侧的固态电解质层到达正极，进而避免了电池内部短路现象的发生，而且复合固态电解质中没有锂枝晶生长的部位，可以继续正常传输锂离子，保证电池的正常充放电。而现有技术中为防止锂枝晶刺穿固态电解质层，通常是在靠近负极一侧的固态电解质层表面涂覆有保护层或缓冲层，保护层或缓冲层的主要成分为LiF、Li3N、Li2S、Au、PEO及其复合产物，这些物质在一定程度上可以保护固态
电解质层，但是，随着锂枝晶或副产物在这些保护层或缓冲层中形成时，锂枝晶仍然可以在固态电解质层内部生长，保护层或缓冲层会逐渐失去效用，电池内部短路的现象仍无法避免。因而，本专利技术所提供复合固态电解质能够长久的抑制锂枝晶的生长，且在电池循环中不会失效。
[0007]第二方面，本专利技术提供了一种固态锂电池，包括正极、负极和上所述复合固态电解质，所述复合固态电解质处于正极与负极之间。
[0008]与现有技术相比，负极与固态电解质层间并没有设置保护层或缓冲层，而是在靠近负极一侧的固态电解质层与靠近正极一侧的固态电解质层之间设置阻隔层，且阻隔层含有可与金属锂发生反应的阻隔材料，且反应产物为不导离子和电子的绝缘物质。当负极生长的锂枝晶刺穿负极一侧的固态电解质层到达阻隔层时，由于锂枝晶会发生反应产生不导离子且不导电子的绝缘物质，从而锂枝晶的生长将止步于阻隔层中，而不会继续生长刺穿阻隔层、刺穿正极一侧的固态电解质层而到达正极，进而可有效避免正负极接触短路，大大提高了电池的安全性能。而现有技术中的固态锂电池是在负极与固态电解质层间设有保护层或缓冲层，而该层会在锂枝晶生长和副产物生成的过程中逐渐失去效用，从而无法长久抑制锂枝晶的生长，即电池仍会存在内短路风险。综上，本专利技术所提供的固态锂电池可以长久的抑制锂枝晶的生长，有着更高的安全性能。
具体实施方式
[0009]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。
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种复合固态电解质，其为层状结构，包括至少一个重复单元，重复单元为依次设置的第一固态电解质层、阻隔层和第二固态电解质层，阻隔层含有阻隔材料，阻隔材料可与锂金属反应生成不导离子且不导电子的绝缘物质。
[0011]由于固态电解质层中设有阻隔层，阻隔层中含有可与金属锂发生反应的物质，且反应产物不导离子和电子，因而在电池循环中，即使有锂枝晶产生刺穿了靠近负极一侧的固态电解质层，但当其生长到阻隔层时，会与阻隔层发生反应生成不导离子也不导电子的绝缘物质，使得锂枝晶的生长将止步于此，即由于锂枝晶周围为无法传导锂离子和电子的绝缘物质，锂枝晶不会继续生长，进而就不会接触到正极导致正负极接触短路，提高了电池的安全性能。此外，阻隔层必须设置在两层固态电解质层之间，是因为固态电解质层可保护阻隔层不被正极的高电压氧化和不被负极的低电压还原。
[0012]进一步地，阻隔层中的阻隔材料优选为可与金属锂自发发生反应的物质。
[0013]自发发生反应即反应的发生无需外界提供条件，比如温度、压强、催化剂等反应条件，当金属锂接触到阻隔层时，二者就会发生发应，生成不导离子和电子的绝缘物质。选择可自发发生反应的物质，可以简化电池的制备，比如，如果需要在一定温度下才能发生反应，那么还需限定电池使用的温度，进而就会缩小电池的使用范围；再比如，如果需要添加催化剂才能进行反应，那么还需在电池制备中加入催化剂，而催化剂又不会提供电池容量，因而其加入会降低电池能量密度。因而，阻隔层的阻隔材料优选为可与金属锂自发发生反应的物质。
[0014]进一步地，阻隔材料为LiH2PO4、LiClO4、Na2S2O3、Na2S2O4中的一种或多种。
[0015]进一步地，阻隔层的离子电导率为10-2-10-8 S cm-1
，优选地，阻隔层的离子电导率为10-2-10-7 S cm-1
。
[0016]由于阻隔层为复合固态电解质中的一部分，且电池中锂离子的传输是依靠于复合固态电解质的，因而需保证阻隔层有一定的离子电导率，以保证锂离子可正常地在正负极间传输。
[0017]进一步地，复合固态电解质为三层结构，固态电解质层、阻隔层、固态电解质层依次设置。
[0018]三层结构的设置即单个重复单元的设置，就可实现抑制锂枝晶生长的目的，且单个重复单元，还有助于降低电池的厚度，有助于提高电池的能量密度；不仅如此，三层结构的设置在电池制备中也较易实现，可简化电池制作工艺。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合固态电解质，其特征在于，为层状结构，包括至少一个重复单元，所述重复单元为依次设置的第一固态电解质层、阻隔层和第二固态电解质层，所述阻隔层含有阻隔材料，所述阻隔材料可与锂金属反应生成不导离子且不导电子的绝缘物质。2.根据权利要求1所述的复合固态电解质，其特征在于，所述阻隔材料为LiH2PO4、LiClO4、Na2S2O3、Na2S2O4中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的复合固态电解质，其特征在于，所述阻隔层的离子电导率为10-2-10-8 S cm-1
。4.根据权利要求1所述的复合固态电解质，其特征在于，为三层结构，所述固态电解质层、所述阻隔层、所述固态电解质层依次设置。5.根据权利要求1所述的复合固态电解质，其特征在于，所述第一固态电解质层含有第一固态电解质颗粒，所述第二固态电解质层含有第二固态电解质颗粒，所述第...

【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：