一种覆盖铝硅层的固态电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种覆盖铝硅层固态电解质及其制备方法和应用，使用铝硅合金为靶材，通过磁控溅射的方法在LLZTO固态电解质片表面溅射适当厚度的铝硅缓冲层，当把熔融的金属锂浇筑到带有铝硅缓冲层的LLZTO表面上时，铝硅会与金属锂发生合金化反应生成锂

【技术实现步骤摘要】
一种覆盖铝硅层的固态电解质及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种覆盖铝硅合金固态电解质及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，人们面临越来越多的挑战，如日益严重的环境问题和能源短缺问题。这是因为我们常用的煤炭、石油和天然气等都是不可再生能源，这些资源只会越用越少且在使用过程中会造成一定的环境污染。因此，开发利用新型清洁能源逐渐成为我们的工作重心，科技进步使太阳能和风能逐渐被人们有效利用，但其区域性、间歇性、不稳定性难以并入电网，而化学储能设备可以与其有效的兼容。因此，社会正在加大对新型储能材料的研究和开发力度，而化学储能在各种储能方式中占据主导地位，电池对于民生和先进科技的重要性不言而喻。在各种电池技术中，锂离子电池作为储能设备有很大的发展前景，在当今社会中具有广泛的应用。新能源汽车，手机和电脑等电子设备的普及印证了锂离子电池在社会发展中的重要地位。但问题也显而易见，传统锂离子电池大都使用有机液态电解质，其热稳定性差、腐蚀性强且易燃易漏，这使得传统锂离子电池存在极大的安全隐患。最近手机爆炸、电动汽车燃烧的新闻屡见不鲜，电池安全问题亟待解决。研究发现，使用固态电解质代替液态电解质制备全固态电池不仅可以从根本上解决传统电池的常见安全问题，还具有长循环寿命和高能量密度的优势。然而，固态电解质质地较硬，在锂金属与固态电解质接触界面处阻抗大，影响了固态电解质的进一步发展。因此，合理的设计和开发解决固态电解质与锂金属接触界面的问题非常具有挑战性和实际意义。
[0003]目前对于界面的处理通常由两种方式，一种是对于锂金属负极的改性，通过改善其对固态电解质的润湿性，来改善界面；如Graphitic carbon nitride(g
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C3N4):An interface enabler for solid
‑
state lithium metal batteries(Angew.Chem.Int.Ed.59,2020,3699
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3704)一文通过在锂金属中加入g
‑
C3N4，使得锂金属与固态电解质LLZTO的界面从点接触变为面的紧密接触，大大提高了抑制锂枝晶的形成并降低了二者的界面阻抗；在0.3mA cm
‑2的电流密度下稳定循环了300个小时。另一种是对固态电解质表面进行改进，通过添加涂层的方法使得锂金属与电解质亲密接触。如Building a better li
‑
garnet solid electrolyte/metallic li interface with antimony(Adv.Energy Mater.11,2021,2102086)一文通过在固态电解质表面引入Sb涂层，呈现了一个引人注目的界面层，导致Li/LLZTO电解质界面电阻降低，在0.2mAcm
‑2的电流密度下循环了200个小时。尽管这些方案对于锂金属与固态电解质界面处的改善都取得成效，但是只能在较小的电流密度下循环测试，而且循环寿命也有待提高。因此，获得更好性能的固态电池仍然存在巨大挑战。
[0004]专利CN202111436177.2公开了一种多层复合固态电解质及其制备方法，将金属锌、铟、锡或铝、金属氮化物、金属氟化物、金属氧化物中的一种或多种作为亲锂层的制备原料，采用磁控溅射的方法将亲锂层制备原料作为靶材复合至电解质片层表面。虽然解决了
全固态电池中具有界面较差的固
‑
固而接触导致的高界面电阻的缺陷，但是单质铝易氧化，影响电池性能。《基于石榴石型固体电解质的全固态薄膜锂电池研究》(陈骋.中国科学院大学,2018.)将硅作为靶材通过磁控溅射的方法将其复合至LLZTO固态电解质表面，在LLZTO表面生长一层硅负极薄膜，但是单质硅易体积膨胀；当硅负极薄膜的厚度在900nm时，固态电池只能循环几次，原因是界面处硅负极薄膜剧烈的体积变化。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术，本专利技术的目的是提供一种铝硅层固态电解质。通过磁控溅射的方法，在LLZTO固态电解质表面覆盖一层铝硅层，利用铝硅合金与锂金属之间的反应，使得LLZTO固态电解质与锂金属接触紧密。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一方面提供一种覆盖铝硅层的固态电解质，由以下方法制备而成：
[0008]将固态电解质抛光后，以铝硅合金作为靶材利用磁控溅射将其复合至固态电解质表面，得到覆盖铝硅层的固态电解质；所述铝硅合金中铝硅的质量比为(83
‑
99)：(1
‑
17)；所述磁控溅射的功率为50
‑
500W，电压为100
‑
500V，电流为0.1
‑
2A，时间为1min
‑
36h。
[0009]优选的，所述固态电解质为LLZTO电解质。
[0010]优选的，所述固态电解质的厚度为0.01
‑
1mm。
[0011]优选的，覆盖固态电解质的铝硅层的厚度为1
‑
500nm。
[0012]本专利技术的第二方面提供覆盖铝硅层的固态电解质在固态锂离子电池中的应用。
[0013]本专利技术的第三方面提供一种固态锂离子电池，所述固态锂离子电池将以上所述方法制备的覆盖铝硅层的固态电解质作为电解质，将覆盖铝硅层的固态电解质与锂金属加热，形成固态电解质
‑
铝硅层
‑
锂金属界面。
[0014]优选的，所述固态电解质
‑
铝硅层
‑
锂金属界面的界面阻抗值为1
‑
200Ωcm
‑2。
[0015]优选的，所述加热温度为100
‑
500℃。
[0016]本专利技术的第四方面提供一种减少固态电解质与锂金属接触界面的界面阻抗的方法，包括以下步骤：
[0017]将铝硅合金作为靶材利用磁控溅射的方法在固态电解质表面形成铝硅层。
[0018]优选的，所述铝硅合金中铝硅的质量比为(83
‑
99)：(1
‑
17)；所述磁控溅射的功率为50
‑
500W，电压为100
‑
500V，电流为0.1
‑
2A，时间为1min
‑
36h。
[0019]当把熔融的金属锂浇筑到带有铝硅缓冲层的LLZTO表面上时，铝硅会与金属锂发生合金化反应生成锂
‑
铝合金和锂
‑
硅合金，生成的亲锂合金将有助于金属锂在LLZTO表面的浸润，从而改善固态电解质LLZTO与锂金属之间的界面问题，使界面阻抗大大降低，并有效地抑制锂枝晶的生成，提高固态电池的电流密度、面容量及循环寿命。
[0020]将制备好的表面覆盖铝硅层的LLZTO与锂金属在高温下结合，可以得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种覆盖铝硅层的固态电解质，其特征在于，所述覆盖铝硅层的固态电解质由以下方法制备而成：将固态电解质抛光后，以铝硅合金作为靶材利用磁控溅射的方法将其复合至固态电解质表面，得到覆盖铝硅层的固态电解质；所述铝硅合金中铝硅的质量比为(83
‑
99)：(1
‑
17)；所述磁控溅射的功率为50
‑
500W，电压为100
‑
500V，电流为0.1
‑
2A，时间为1min
‑
36h。2.根据权利要求1所述的覆盖铝硅层的固态电解质，其特征在于，所述固态电解质为LLZTO电解质。3.根据权利要求1所述的覆盖铝硅层的固态电解质，其特征在于，所述固态电解质的厚度为0.01
‑
1mm。4.根据权利要求1所述的覆盖铝硅层的固态电解质，其特征在于，覆盖固态电解质的铝硅层的厚度为1
‑
500nm。5.权利要求1
‑
4任一项所述的覆盖铝硅层的固态电解质在固态锂离子电池中的应用。6.一种固态锂离子电池，其特征在于，所述固态锂离子电池是以权利要求1

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建超，翟磊，姜付义，张薇薇，张潇予，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：