用于全固态电池的负极和包括该负极的全固态电池制造技术

本公开内容涉及一种用于全固态电池的负极和一种包括所述负极的全固态电池，所述负极能够提供一种在负极和固态电解质之间表现出优异的接触特性以及改善的寿命特性的全固态电池。电池。电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于全固态电池的负极和包括该负极的全固态电池


[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年11月10日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10
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2020
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0149184号的权益，通过引用将上述专利申请的公开内容作为整体结合在此。
[0003]本公开内容涉及一种用于全固态电池的负极以及一种包括该负极的全固态电池，所述负极能够提供一种在负极和固态电解质之间表现出优异的接触特性以及改善的寿命特性的全固态电池。

技术介绍

[0004]二次电池主要应用于诸如移动装置和笔记本电脑之类的小领域，但最近它们的应用方向已扩展到中大型领域，并主要扩展到与储能系统(energy storage system,ESS)或电动汽车(electric vehicle,EV)相关的需要高能量和高输出的领域。对于这样的中大型二次电池，与小型二次电池不同，不仅诸如温度和冲击之类的运行环境恶劣，而且必须使用更多的电池。因此，有必要在保证安全性的同时，还具有优异的性能或合适的价格。由于目前大多数商业化的二次电池使用其中锂盐溶解在有机溶剂中的液体电解质，因此它们具有包括泄漏在内的火灾和爆炸的潜在风险。
[0005]因此，近来进行了全固态电池(all
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solid
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state battery)的开发，全固态电池是使用固态电解质代替液态电解质的电池，并且具有比应用液体电解质的现有的锂二次电池热稳定性更高的优点。此外，由于全固态电池在高能量密度和输出特性、制造工艺的简化以及电池的大型化/紧凑性方面优于现有的锂二次电池，因此人们近来对全固态电池的研究和兴趣日益集中。
[0006]另一方面，在现有的全固态电池的情况下，与现有的锂二次电池一样，主要使用石墨负极。然而，近年来，为了进一步提高电池的容量特性，锂金属负极或利用硅基活性材料的负极的使用已被广泛讨论和研究。由于这些锂金属负极和硅基负极都具有高理论容量，因此可以实现高容量和能量密度。
[0007]然而，当使用锂金属负极时，在电池的初始充电/放电过程中，从正极向负极移动的锂以枝晶的形式层压在负极的表面上而形成锂枝晶，因此具有使电池的寿命特性和稳定性劣化的缺点。此外，硅基负极还具有在充电/放电过程中引起较大的体积变化，从而使电池的寿命特性劣化的缺点。因此，持续需要开发在实现更高容量和能量密度的同时具有改善的寿命特性等的负极和/或全固态电池。
[0008]此外，由于全固态电池含有固体电解质，为了充分发挥这种全固态电池的性能，需要确保各个电极与固体电解质之间的充分接触特性，并实现高离子电导率。然而，由于固体电解质的特性，很难渗透到每个电极中，并且也不容易确保足够的接触面积。确保电极与固体电解质之间的充分接触特性、低界面电阻和高离子电导率的全固态电池尚未得到适当开发。
[0009]由于上述现有技术的问题，对于在电极和固体电解质之间表现出优异的接触特性
以及改善的寿命特性的全固态电池相关技术的开发存在持续的需求。

技术实现思路

[0010]技术问题
[0011]本公开内容提供一种用于全固态电池的负极，所述负极能够提供一种在表现出高能量密度的同时在负极与固体电解质之间表现出优异的接触特性以及改善的寿命特性的全固态电池。
[0012]此外，本公开内容提供一种包括该负极的全固态电池，所述全固态电池表现出高能量密度、改善的寿命特性、在负极与固体电解质之间优异的接触特性、以及低界面电阻。
[0013]技术方案
[0014]根据本公开内容的一个方面，提供一种用于全固态电池的负极，包括：
[0015]结晶碳层；
[0016]非晶碳层，所述非晶碳层包括形成在所述结晶碳层上并由缺电子(electron deficient state)碳原子形成的碳缺陷结构，并且其中在所述碳缺陷结构中形成有纳米级的孔；和
[0017]形成在所述非晶碳层的所述孔中的固体电解质材料。
[0018]根据本公开内容的另一方面，提供一种全固态电池，包括：
[0019]正极，所述正极包括正极集电器和形成在所述正极集电器上的锂复合氧化物基正极活性材料层；
[0020]上述负极；和
[0021]插置在所述正极和所述负极之间的附加固体电解质层。
[0022]有益效果
[0023]本公开内容的负极不仅不包括或最低限度地包括三维形成的单独的活性材料层，诸如单独的锂金属薄膜，而且还包括含有通过化学处理结晶碳层而由缺电子(electron deficient state)碳原子形成的碳缺陷结构和多个纳米孔的非晶碳层。
[0024]通过形成含有这种碳缺陷结构的非晶碳层，可以消除或减少在应用现有的锂金属负极的电池等中以三维附加薄膜的形式形成的诸如锂金属薄膜之类的活性材料层。因此，可以从根本上抑制锂枝晶从这种锂金属薄膜等的生长。
[0025]除此之外，在非晶碳层中，由于在碳缺陷结构中包括大量缺电子碳原子，因此可以插入大量锂离子和/或包含锂离子的锂化合物，同时向这些碳原子提供电子。此外，通过使用这种锂离子等作为核，可以在它们周围均匀地电沉积锂金属。因此，这种非晶碳层可以诱导在同一平面上二维形成的均匀锂电沉积，并且由此电沉积的锂金属可以充当具有锂离子源的活性材料层。因此，本公开内容的负极能够实现与应用现有的锂金属负极的情况相当的高能量密度。
[0026]此外，由于固体电解质材料可以填充在非晶碳层中形成的大量纳米孔中，因此可以确保在负极、以及作为活性材料层的锂金属、和填充在纳米孔中的固体电解质之间有足够的接触面积。因此，能够实现负极与固体电解质之间的优异接触特性、低界面电阻和高离子电导率。
[0027]结果，当使用本公开内容的负极时，可以提供抑制锂枝晶的形成、具有与应用锂金
属负极的情况相当的高能量密度、同时表现出改善的寿命特性、并确保负极与固体电解质之间的充分接触特性的全固态电池。
[0028]这样的全固态电池能够表现出优异的电池性能和寿命特性，并且能够非常优选地用作应用于电动汽车等的下一代电池。
附图说明
[0029]图1a和图1b示出了在比较例1和实施例1的负极的制造过程中，在形成固体电解质材料之前的步骤中，每个碳层表面的SEM和TEM分析结果；
[0030]图2a至图2c是示出在通过EDS对碳纸和负极进行元素分析之后，针对实施例1的每个生产步骤的分析结果以及相应的SEM图像的图；
[0031]图3是示出在比较例1和实施例1的负极的制造过程中，在形成固体电解质材料之前的步骤中每个碳层的XPS分析结果的图；
[0032]图4是示出在比较例1和实施例1的负极的制造过程中，在形成固体电解质材料之前的步骤中每个碳层的拉曼光谱分析结果的图；
[0033]图5是示出在比较例1和实施例1的负极的制造过程中，在形成固体电解质材料之前的步骤中每个碳层的BET分析结果的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于全固态电池的负极，包括：结晶碳层；非晶碳层，所述非晶碳层包括形成在所述结晶碳层上并由缺电子(electron deficient state)碳原子形成的碳缺陷结构，并且其中在所述碳缺陷结构中形成有纳米级的孔；和形成在所述非晶碳层的所述孔中的固体电解质材料。2.根据权利要求1所述的用于全固态电池的负极，其中所述固体电解质材料包括硫化物固体电解质和粘合剂。3.根据权利要求2所述的用于全固态电池的负极，其中所述硫化物固体电解质包括以下化学式1的硫化物基化合物：[化学式1]M
1a
M
2b
S
c
X
1d
在所述化学式1中，M1为选自碱金属和碱土金属中的至少一种，M2为Sb、Sn、Mg、Ba、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Pb、N、P、As、Bi、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W或La，X1为F、Cl、Br、I、Se、Te或O，0<a≤6，0<b≤6，0<c≤6，且0≤d≤6。4.根据权利要求2所述的用于全固态电池的负极，其中所述粘合剂包括丙烯酸粘合剂、聚偏二氟乙烯(PVDF)基粘合剂、聚四氟乙烯(PTFE)基粘合剂、或丁二烯橡胶基粘合...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹鐘建，河会珍，郑慧利，金熙卓，李株爀，
申请(专利权)人：韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：