一种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池及其制备方法，属于全固态电池技术领域。该全固态厚膜锂电池包括厚膜正极、电解质薄膜、合金界面层和厚膜负极；制备方法包括：在厚度为1～9μm的所述电解质薄膜上采用气相沉积法制备金属薄膜层；在温度为200～350℃的金属薄膜层上浇筑熔融状态锂，随后以1～20℃/min的速度冷却，原位形成具有一体化结构的所述合金界面层和所述厚膜负极。通过该制备方法可以在电解质薄膜上高效、高质量制备厚膜负极，同时形成致密的界面接触，具有高离子导电特性、可抑制锂枝晶生长、使两侧的电解质薄膜与厚膜负极形成致密接触。膜与厚膜负极形成致密接触。膜与厚膜负极形成致密接触。

【技术实现步骤摘要】
一种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于全固态电池
，具体涉及一种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]全固态电池安全性高、能量密度高、循环性能好、使用寿命长以及倍率性能好，是最具潜力替代现有高能量密度锂离子电池的电池类型。为了获得与液态电池接近的电芯容量，电极和电解质均为几百微米厚度的体型固态电池是有希望的候选者，但体型全固态电池中存在的电极
‑
电解质接触不良、界面阻抗大和负极体积变化大等问题阻碍了其产业化发展。全固态薄膜锂电池作为目前唯一一种可以商业化量产的全固态电池，其正极、负极、电解质均为致密薄膜，可以实现固固界面的致密结合，解决界面接触不良问题，降低电池阻抗。但是全固态薄膜电池的单体电池容量较低、电池制备成本高，除了微电子领域难以在其他领域得到实际应用。
[0003]全固态厚膜锂电池属于全固态电池的一种，有巨大潜力同时解决全固态薄膜锂电池的低容量、高成本和体型全固态电池的界面接触性差等问题。全固态厚膜锂电池的核心结构为厚膜正极、电解质薄膜和厚膜负极，厚膜正、负极可以大幅提高单体电池容量，薄膜电解质的优势在于可以实现离子的快速传输，减小极化。在全固态厚膜锂电池中，厚膜负极的制备方案主要为：通过气相沉积法制备厚膜负极，电解质薄膜与厚膜负极之间可实现致密接触，但该方法面临成本高昂、制备条件严苛、效率低等问题，例如采用真空蒸镀法制备200μm厚的锂负极厚膜，为保证膜层质量，需在低于7
×
10
>‑4Pa真空条件下连续制备6小时以上，成本和耗费过高。
[0004]现有技术为解决厚膜锂与固态电解质的接触问题，通常会在负极表面制备聚合物缓冲层，该制备过程需要首先将聚合物单体、锂盐和其他填料混合均匀，随后涂覆在负极表面烘干，最后将具有保护层的负极与电解质压合组装。此方法可以一定程度改善界面，但工艺繁琐复杂，压合形成的负极
‑
电解质界面也存在界面失配、界面缝隙等问题，且该方法不适用于薄膜电解质，薄膜电解质质地较脆，且厚度仅几微米，在压合过程中易被破坏，形成正负极直接接触，导致电池短路。
[0005]因此，现有技术缺少一种可以在薄膜电解质上高效、高质量制备厚膜负极，同时可以使得厚膜负极
‑
电解质薄膜界面形成致密接触的制备方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池及其制备方法，通过该熔融液相成膜制备方法可以在电解质薄膜上高效、高质量制备厚膜锂负极，同时形成致密的界面接触，具有高离子导电特性、可抑制锂枝晶生长、使两侧的电解质薄膜与厚膜负极形成致密接触。
[0007]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池的制备方法，全固态厚膜锂电池包括厚膜正极、电解质薄膜、合金界面层和厚膜负极；
[0009]制备方法包括：
[0010]在厚度为1～9μm的所述电解质薄膜上采用气相沉积法制备金属薄膜层；
[0011]在温度为200～350℃的金属薄膜层上浇筑熔融状态锂，随后以1～20℃/min的速度冷却，原位形成具有一体化结构的所述合金界面层和所述厚膜负极。
[0012]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述具有一体化结构的合金界面层和厚膜负极的总厚度为10～200μm。
[0013]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述金属薄膜层的厚度为100nm～5μm。
[0014]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述熔融锂的浇筑方法包括熔融流延法、熔融喷涂法、熔融挤出法或熔融焊接法。
[0015]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述金属薄膜层中的金属包括铜、钙、镁、铝、锌、锡、银、硼、钡和铟中的至少一种。
[0016]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述电解质薄膜为Li3PO4、LiPON、Li7La3Zr2O
12
(LLZO)、Li
3x
La
2/3
‑
x
TiO3(LLTO)、Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3、Li3PS4或其衍生物的薄膜。
[0017]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述制备方法还包括：
[0018]在正极集流体上通过厚膜制备方法制备得到厚度为30～500μm的厚膜正极；以及在厚膜正极上采用气相沉积法制备电解质薄膜。
[0019]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述气相沉积法包括：磁控溅射法、电子束蒸发法、等离子体增强化学气相沉积法或金属有机物化学气相沉积法。
[0020]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述厚膜正极包括LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、LiNi
0.5
Mn
0.5
O2、LiNi
x
Co
y
Mn
(1
‑
x
‑
y)
O2、LiNi
0.8
Co
0.15
Al
0.05
O2、xLiMO2·
(1
‑
x)Li2MnO3中至少一种；其中，0<x<1，0<y<1。
[0021]第二方面，本专利技术还提供一种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池，其特征在于，其通过上述制备方法制得，全固态厚膜锂电池包括厚膜正极、电解质薄膜、合金界面层和厚膜负极，厚膜正极的厚度为30～500μm，电解质薄膜的厚度为1～9μm，合金界面层与厚膜负极具有一体化结构，总厚度为10～200μm。
[0022]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下技术效果：
[0023]本专利技术提供的这种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池的制备方法，通过在厚度仅为1～9μm的电解质薄膜表面采用气相沉积法制备金属薄膜层(厚度约为0.1～5μm)，作为缓冲层，随后在金属薄膜层上浇筑熔融状态锂成膜，缓慢冷却，使熔融锂与金属薄膜层中的金属反应后原位形成锂合金界面层，该锂合金界面层与厚膜负极具有一体化结构，其优点如下：
[0024](1)相较于气相沉积法，本方法通过在金属薄膜层上浇筑熔融锂制备厚膜负极，该熔融液相成膜法工艺简单、生产效率高、成本低，对于产业化应用有重要意义。
[0025](2)在电解质薄膜上制备的金属薄膜层与熔融锂反应后可以原位生成具有高离子导电特性的锂合金界面层，该界面层与厚膜负极具有一体化结构，同时与电解质薄膜形成薄膜间的致密接触，将厚膜负极和电解质薄膜“焊接”在一起，解决熔融锂与电解质薄膜浸润性差的难题。制备的全固态厚膜锂电池具有低界面阻抗、低极化和高放电容量等优点。
[0026](3)合金界面层极大的降低了负极界面阻抗，并诱导金属锂的沉积，抑制锂枝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有合金界面层的全固态厚膜锂电池的制备方法，其特征在于，所述全固态厚膜锂电池包括厚膜正极、电解质薄膜、合金界面层和厚膜负极；所述制备方法包括：在厚度为1～9μm的所述电解质薄膜上采用气相沉积法制备金属薄膜层；在温度为200～350℃的所述金属薄膜层上浇筑熔融状态锂，随后以1～20℃/min的速度冷却，原位形成具有一体化结构的所述合金界面层和所述厚膜负极。2.根据权利要求1所述的全固态厚膜锂电池的制备方法，其特征在于，所述具有一体化结构的所述合金界面层和所述厚膜负极的总厚度为10～200μm。3.根据权利要求1所述的全固态厚膜锂电池的制备方法，其特征在于，所述金属薄膜层的厚度为0.1～5μm。4.根据权利要求1所述的全固态厚膜锂电池的制备方法，其特征在于，所述熔融锂的方法包括熔融流延法、熔融喷涂法、熔融挤出法或熔融焊接法。5.根据权利要求1所述的全固态厚膜锂电池的制备方法，其特征在于，所述金属薄膜层中的金属包括铜、钙、镁、铝、锌、锡、银、硼、钡和铟中的至少一种。6.根据权利要求1所述的全固态厚膜锂电池的制备方法，其特征在于，所述电解质薄膜为Li3PO4、LiPON、Li7La3Zr2O
12
、Li
3x
La
2/3
‑
x
TiO3、Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3、Li3PS4或其衍生物的薄膜。7.根据权利要求1所述的全固态厚膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晶泽，谢佳，王弘毅，周爱军，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：