一种全固态锂离子电池及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种全固态锂离子电池及其制备方法和应用，所述全固态锂离子电池包括依次设置的锂金属负极、复合固态电解质、正极片及位于锂金属负极和复合固态电解质之间的烷氧基硅烷，所述复合固态电解质包括LLZO型陶瓷纳米线，本发明专利技术使用固态电解质中含有LLZO，通过将锂片覆盖于烷氧基硅烷上的方式，降低LLZO与金属锂的界面阻抗，步骤简单，易于操作，具有良好的工业化前景。良好的工业化前景。良好的工业化前景。

【技术实现步骤摘要】
一种全固态锂离子电池及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，涉及一种全固态锂离子电池及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]全固态锂离子电池相较于传统的液态锂离子电池，不易燃易爆、不漏液，具有安全性高、环境友好和良好的电化学性能，这得益于固态电解质在全固态锂离子电池中的应用。
[0003]固态电解质根据成分可以划分为有机聚合物电解质和无机固态电解质。聚氧化乙烯由于安全性高、成本低、易制备、能量密度高、电化学稳定性好、与锂盐相容性好，成为了研究最为广泛的有机聚合物电解质，但是其离子电导率低，机械强度低，无法抑制锂枝晶的产生与生长。
[0004]CN110600798A公开了一种二氧化锰/聚氧化乙烯固态电解质的制备方法及应用，(1)在二氧化锰纳米片中加入乙腈，超声清洗得到二氧化锰
‑
乙腈分散液，加入聚氧化乙烯PEO，搅拌成为均匀的乳液；(2)向乳液中再加入双三氟甲磺酰亚胺锂LiTFSI，搅拌得到均匀的混合液；(3)将混合液倒入聚四氟乙烯模具中，通风蒸发干燥箱后将制备好的聚合物固态电解质裁成圆片应用在固态锂金属电池，其所述固态锂金属电池中，电解质和电极的接触性较差，阻抗较高。
[0005]CN109755645A公开了一种氮化硼/聚氧化乙烯固态电解质的制备方法及应用，(1)在纳米氮化硼中加入乙腈，超声清洗得到氮化硼
‑
乙腈分散液，加入聚氧化乙烯PEO，搅拌成为均匀的乳液；(2)向乳液中加入双三氟甲磺酰亚胺锂LiTFSI，搅拌得到均匀的混合液；(3)将混合液倒入聚四氟乙烯模具中，通风蒸发干燥箱后将制备好的聚合物固态电解质裁成圆片应用在固态锂金属电池，固态锂金属电池中所使用的粘结剂为聚氧化乙烯PEO，其所述固态锂金属电池的离子电导率较低。
[0006]上述方案存在有阻抗大或离子电导率较低的问题，因此，开发一种阻抗小，且离子电导率高的全固态锂离子电池是十分必要的。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种全固态锂离子电池及其制备方法和应用，本专利技术使用固态电解质中含有LLZO，通过将锂片覆盖于烷氧基硅烷上的方式，降低LLZO与金属锂的界面阻抗，步骤简单，易于操作，具有良好的工业化前景。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种全固态锂离子电池，所述全固态锂离子电池包括依次设置的锂金属负极、复合固态电解质、正极片及位于锂金属负极和复合固态电解质之间的烷氧基硅烷，所述复合固态电解质包括LLZO型陶瓷纳米线。
[0010]本专利技术所述全固态电解质在复合固态电解质和锂金属负极之间设置烷氧基硅烷，在保证较高离子电导率的同时，与金属锂具有优异相容性，组装的全固态锂离子电池具有
优异的循环稳定性和倍率性能，烷氧基硅烷内部的
‑
OR官能团，可以与LLZO的
‑
O
‑
Li，以及金属锂表面的
‑
OH官能团发生键合，在LLZO与金属锂两侧形成Si
‑
O
‑
Li化学键，从而将复合固态电解质与金属锂连接在一起，改善复合固态电解质与金属锂的界面接触性。
[0011]优选地，所述陶瓷纳米线为金属元素掺杂的LLZO型陶瓷纳米线。
[0012]优选地，所述陶瓷纳米线包括Li7‑
3a
Al
a
La3Zr2O
12
、Li7‑
3b
Ga
b
La3Zr2O
12
、Li7‑
3c
Fe
c
La3Zr2O
12
、Li7‑
2d
Zn
d
La3Zr2O
12
、Li7‑
e
La3Zr2‑
e
Ta
x
O
12
、Li7‑
f
La3Zr2‑
f
W
f
O
12
、Li7La3‑
g
Y
g
Zr2O
12
或Li
6.05
Ga
0.25
La3Zr2O
11.8
F
0.2
中的任意一种或至少两种的组合，其中，a为0.20～0.39，例如：0.20、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35或0.39等，b为0.20～0.39，例如：0.20、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35或0.39等，c为0.20～0.39，例如：0.20、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35或0.39等，d为0.20～0.39，例如：0.20、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35或0.39等，e为00.20～0.39，例如：0.20、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35或0.39等，f为0.20～0.39，例如：0.20、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35或0.39等，g为0.20～0.39，例如：0.20、0.22、0.25、0.28、0.3、0.35或0.39等。
[0013]优选地，以所述复合固态电解质的质量为100％计，所述陶瓷纳米线的质量分数为5～10％，例如：5％、6％、7％、8％、9％或10％等。
[0014]优选地，所述烷氧基硅烷的化学式为Y
x
Si(OR)4‑
x
，其中x＝0.1～3，例如：0.1、0.5、1、2或3等，Y为烷基和/或氢基。
[0015]优选地，所述烷氧基硅烷包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二乙氧基二甲基硅烷、三甲基甲氧基硅烷或二甲基二乙氧基硅烷中的任意一种或至少两种的组合，优选为正硅酸乙酯。
[0016]第二方面，本专利技术提供了一种如第一方面所述全固态锂离子电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0017](1)采用静电纺丝技术制备陶瓷纳米线，并将其完全浸润聚氧化乙烯浆料，干燥后，得到复合固态电解质膜；
[0018](2)将硅氧基硅烷滴加到步骤(1)得到的复合固态电解质膜的一面，将锂片压覆于烷氧基硅烷表面，自然挥发后组装得到所述全固态锂离子电池。
[0019]优选地，步骤(1)所述静电纺丝技术包括将基底前驱液混合后置于针管中，推进针头进行纺丝，经真空干燥及煅烧得到自支撑性膜。
[0020]优选地，所述基底前驱液包括LiNO3、La(NO3)3·
6H2O和C8H
12
O8Zr。
[0021]优选地，所述基底前驱液还包括硝酸铝、硝酸镓、硝酸铁、硝酸锌、硝酸钽或硝酸钇中的任意一种或至少两种的组合。
[0022]优选地，所述针管的针与滚筒收集器之间的电压为10～25kV，例如：1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全固态锂离子电池，其特征在于，所述全固态锂离子电池包括依次设置的锂金属负极、复合固态电解质、正极片及位于锂金属负极和复合固态电解质之间的烷氧基硅烷，所述复合固态电解质包括LLZO型陶瓷纳米线。2.如权利要求1所述的全固态锂离子电池，其特征在于，所述陶瓷纳米线为金属元素掺杂的LLZO型陶瓷纳米线；优选地，所述陶瓷纳米线包括Li7‑
3a
Al
a
La3Zr2O
12
、Li7‑
3b
Ga
b
La3Zr2O
12
、Li7‑
3c
Fe
c
La3Zr2O
12
、Li7‑
2d
Zn
d
La3Zr2O
12
、Li7‑
e
La3Zr2‑
e
Ta
x
O
12
、Li7‑
f
La3Zr2‑
f
W
f
O
12
、Li7La3‑
g
Y
g
Zr2O
12
或Li
6.05
Ga
0.25
La3Zr2O
11.8
F
0.2
中的任意一种或至少两种的组合，其中，a为0.20～0.39，b为0.20～0.39，c为0.20～0.39，d为0.20～0.39，e为0.20～0.39，f为0.20～0.39，g为0.20～0.39；优选地，以所述复合固态电解质的质量为100％计，所述陶瓷纳米线的质量分数为5～10％。3.如权利要求1或2所述的全固态锂离子电池，其特征在于，所述烷氧基硅烷的化学式为Y
x
Si(OR)4‑
x
，其中x＝0.1～3，Y为烷基和/或氢基；优选地，所述烷氧基硅烷包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二乙氧基二甲基硅烷、三甲基甲氧基硅烷或二甲基二乙氧基硅烷中的任意一种或至少两种的组合，优选为正硅酸乙酯。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述全固态锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)采用静电纺丝技术制备陶瓷纳米线，并将其完全浸润聚氧化乙烯浆料，干燥后，得到复合固态电解质膜；(2)将硅氧基硅烷滴加到步骤(1)得到的复合固态电解质膜的一面，将锂片压覆于烷氧基硅烷表面，自然挥发后组装得到所述全固态锂离子电池。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述静电纺丝技术包括将基底前驱液混合后置于针管中，推进...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭强强，宋洁尘，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：