锂金属负极层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种锂金属负极层及其制备方法和应用，其中，锂金属负极层的原料包括活性物质、硫化物电解质以及粘结剂，且所述原料不包括溶剂，其中，所述活性物质包含锂粉和纳米金属粉。在该锂金属负极层的原料中，无需使用溶剂，适用于硫化物电解质体系，其中的负极活性物质与硫化物电解质化学性质稳定、界面兼容性好，且硫化物电解质不易失效，粘结剂体系的筛选也较为简单。此外，活性物质中包含锂粉和纳米金属粉，其中金属锂粉具有较大的比表面积，可减少负极的电流密度，减少锂枝晶生成，同时锂粉具有良好的结构稳定性，纳米金属粉可与锂反应并合金化，该合金具有良好的化学稳定性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
锂金属负极层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池材料领域，具体涉及一种锂金属负极层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着电动汽车行业的快速发展，人民对行驶里程和安全性能的要求不断提高，开发高能量密度、高安全性能的动力电池势在必行。全固态电池因不使用可燃性的有机电解液，成为下一代高安全动力电池开发的重点。为了进一步提高全固态电池的能量密度，具有高比容量、低电位的锂金属负极受到人们的关注。相比于常规液态电池，全固态电池中无对锂活性的有机溶剂，从而减少了电池运行过程中锂的副反应，提高循环稳定性，同时固态电解质均具有一定的机械强度或良好的韧性，可抑制锂沉积过程中枝晶的生长，改善电池安全性和稳定性。
[0003]其中，硫化物电解质因具有高的室温离子电导率，室温下可达到10
‑3S/cm，成为全固态电池开发的首选电解质体系。在硫化物全固态电池中使用锂金属作为负极仍面临诸多挑战：锂金属化学性质活泼，与硫化物电解质的稳定性差，易接触反应导致电池失效；另外，锂金属负极充放电过程中巨大的体积膨胀/收缩，极易导致电解质膜与锂金属负极之间界面接触破坏，电池容量下降。为解决锂金属与硫化物电解质的稳定性问题，常用的方法是对锂表面进行包覆，通过包覆层隔绝两者的直接接触，但在实际运行过程中包覆层结构将随着锂金属的体积变化而急剧破坏，导致电池失效。
[0004]为解决锂负极与电解质的界面接触稳定性问题，一种解决办法是，给电池外部施加极高的压力，通过机械力维持界面的紧密接触。但该方法需要在电池外部加入加压设备，不利于电池的应用。另一种解决方法是，制备多孔锂金属负极，利用负极自身的孔结构，缓冲体积变化，维持界面稳定性。常用的多孔锂金属负极制备方法为：以多孔导电网络为基材，通过熔融锂渗入导电网络内部孔洞，制备多孔锂金属负极。但该结构负极因孔洞内部无导锂离子的电解质，在全固态电池体系中，锂无法沉积到负极内部孔洞，而无法使用。此外还有将锂粉、粘结剂、分散剂、固态电解质加入溶剂制成浆料并涂布在铜箔表面，干燥后得到全固态锂金属负极。但对于硫化物电解质体系，由于其化学性质活泼，匀浆过程中易与有机溶剂发生反应而失效，同时伴随着溶剂和粘结剂体系筛选困难以及溶剂易挥发造成污染等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术第一方面提出一种锂金属负极层，该负极层中负极活性物质与硫化物电解质化学性质稳定、界面兼容性好，且硫化物电解质不易失效，粘结剂体系筛选简单。
[0006]本专利技术第二方面提出一种锂金属负极层的制备方法。
[0007]本专利技术第三方面还提出一种锂金属负极。
[0008]本专利技术第四方面还提出一种全固态锂离子电池。
[0009]根据本专利技术的第一方面，提供一种锂金属负极层，所述锂金属负极层的原料包括活性物质、硫化物电解质以及粘结剂，且所述原料不包括溶剂，其中，所述活性物质包含锂粉和纳米金属粉。
[0010]根据本专利技术实施例的锂金属负极层，至少具有如下有益效果：在该锂金属负极层的原料中，无需使用溶剂，适用于硫化物电解质体系，其中的负极活性物质与硫化物电解质化学性质稳定、界面兼容性好，且硫化物电解质不易失效，粘结剂体系的筛选也较为简单。在电极的后续制备过程中，工艺简单，无需进行烘干，且节省成本，不产生污染。此外，活性物质中包含锂粉和纳米金属粉，其中的金属锂粉具有较大的比表面积，可减少负极的电流密度，减少锂枝晶生成，同时锂粉具有良好的结构稳定性，在体积变化过程中仍能保持负极结构的稳定性，纳米金属粉可与锂反应并合金化，该合金具有良好的化学稳定性。
[0011]根据本专利技术的一些实施例，所述纳米金属粉中的金属包括铝、镁、银、锡、锌、钙中的至少一种；优选地，所述纳米金属粉的直径为2
‑
1000nm；优选地，所述纳米金属粉的直径为10
‑
200nm。当纳米金属粉的直径在2
‑
1000nm、优选在10
‑
200nm时，可以获得更优异的分散性能，并能够与金属锂粉充分接触形成具有良好化学稳定性的合金保护层。如果金属纳米粉的直径过小，极易发生团聚而不利于其均匀分散，且成本过高；如果金属纳米粉直径过大，与金属锂粉的接触面积将减小，影响两者接触反应形成合金保护层。
[0012]可以理解的是，选择上述种类的金属作为纳米金属粉，可确保其与金属锂粉反应后实现合金化，获得的合金的化学稳定性较好，并可与硫化物电解质充分兼容，从而提高负极的循环稳定性。
[0013]根据本专利技术的一些实施例，所述锂粉表面包覆无机金属锂化物；优选地，所述无机金属锂化物包括氟化锂、碳酸锂、氮化锂、氧化锂或氢氧化锂中的至少一种；优选地，所述无机金属锂化物包括氟化锂或碳酸锂中的至少一种；通过在锂粉表面包覆无机金属锂化物，提高材料的化学稳定性，减少电极制备过程中金属锂粉与硫化物电解质的接触反应，提高制备过程的操作安全性。所述包覆有无机金属锂化物的锂粉直径为1
‑
500μm；优选地，所述包覆有无机金属锂化物的锂粉直径为10
‑
20μm。与纳米金属粉的直径要求类似，锂粉直径保持在上述范围内能够获得良好的分散性以及足够的比表面积；如果直径过小，锂粉不易分散，且制备成本高；而如果直径过大，锂粉的比表面积减小，不利于抑制枝晶。
[0014]根据本专利技术的一些实施例，所述粘结剂为可纤维高分子型粘结剂，所述可纤维高分子型粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、聚丙烯、氯化聚乙烯或高密度聚乙烯中的至少一种。
[0015]可以理解的是，采用可纤维高分子型粘结剂，将其与活性物质、电解质等粘结制备的锂金属负极层，后续形成的负极层膜片具有良好的机械强度和韧性，在充放电过程中可减少活性物质与电解质、集流体之间的脱落，提高电池极片结构的稳定性。
[0016]根据本专利技术的一些实施例，所述硫化物电解质包括LiPSX、LiPS、LiGePS、LiGePSI、LiSiPSCl、LiSiPSO或LiGeGaS中的至少一种，其中，X选自Cl、I或Br。
[0017]需要说明的是，本专利技术采用将上述硫化物电解质与活性物质一同混合制成锂金属负极层，后续形成电池，在锂金属负极层中的硫化物电解质可传导锂离子，从而实现锂在负极内部孔洞中的沉积，缓解体积变化，提高界面稳定性。此外，负极中的电解质与电池中的电解质组成相同时，可使两者具有更好的兼容性，减少界面阻抗，改善电池的倍率性能。
[0018]根据本专利技术的一些实施例，所述锂金属负极层的原料中，所述活性物质的质量比为50
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90％，所述硫化物电解质的质量比为5
‑
49％，所述粘结剂的质量比为0.5
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45％；优选地，所述活性物质中，所述锂粉与所述纳米金属粉的质量比为1:0.1
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1:10。纳米金属粉与锂粉的配比同样会对形成的合金产生一定影本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属负极层，其特征在于，所述锂金属负极层的原料包括活性物质、硫化物电解质以及粘结剂，且所述原料不包括溶剂，其中，所述活性物质包含锂粉和纳米金属粉。2.根据权利要求1所述的锂金属负极层，其特征在于，所述纳米金属粉中的金属包括铝、镁、银、锡、锌、钙中的至少一种；优选地，所述纳米金属粉的直径为2
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1000nm；优选地，所述纳米金属粉的直径为10
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200nm。3.根据权利要求1所述的锂金属负极层，其特征在于，所述锂粉表面包覆无机金属锂化物；优选地，所述无机金属锂化物包括氟化锂、碳酸锂、氮化锂、氧化锂或氢氧化锂中的至少一种；优选地，所述无机金属锂化物包括氟化锂或碳酸锂中的至少一种；所述锂粉直径为1
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500μm；优选地，所述锂粉直径为10
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20μm。4.根据权利要求1至3任一项所述的锂金属负极层，其特征在于，所述粘结剂为可纤维高分子型粘结剂，所述可纤维高分子型粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、聚丙烯、氯化聚乙烯或高密度聚乙烯中的至少一种。5.根据权利要求1至3任一项所述的锂金属负极层，其特征在于，所述硫化物电解质包括LiPSX、LiPS、LiGePS、LiGePSI、LiSiPSCl、LiSiPSO或LiGeGaS中的至少一种，其中，X选自Cl、I或Br。6.根据权利要求1所述的锂金属负极层，其特征在于，所述锂金属负极层的原料中，所述活性物质的质量比为50
‑
90％，所述硫化物电解质的质量比为5
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49％，所述粘结剂的质量比为0.5
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45％；优选地，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡挺威，刘永飞，梁世硕，
申请(专利权)人：昆山宝创新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：