固态锂电池用双功能界面修饰层及锂电池制造技术

本发明专利技术涉及一种固态锂电池用双功能界面修饰层及锂电池，所述双功能界面修饰层包括聚合物电解质层及锂合金层，聚合物电解质层用于和锂电池的电解质接触，锂合金层用于和锂电池的锂负极接触；所述锂合金层中的锂合金至少包括含锂二组分合金、含锂三组分合金、含锂四组分合金中的一种；聚合物电解质层包括聚合物基体和锂盐。本发明专利技术提供了一种双功能界面修饰层，该双功能界面修饰层可应用于固态锂金属电池中，能够显著提升电解质/锂负极的界面兼容性，抑制锂枝晶的生长，且制备方法简便，容易操作。作。

【技术实现步骤摘要】
固态锂电池用双功能界面修饰层及锂电池


[0001]本专利技术属于固态锂电池
，具体涉及一种固态锂电池用双功能界面修饰层及锂电池。

技术介绍

[0002]现有液态锂离子电池具有容量大，工作电压高，无记忆效应等优点，然而其能量密度已经接近极限。而采用固体电解质的固态电池避免了电池在服役过程中产生的安全隐患，有望彻底解决电池的安全性问题，将成为下一代锂电池的新技术。更为重要的是，固态锂电池可以使用比容量高的金属锂替代石墨作为电池的负极材料，这样可以明显减少负极材料的用量，提高电池的能量密度。另外，与传统锂离子电池堆内部结构不同，固态电池可以采用双极堆叠的串联结构，减少集电器数量，增加电池单元的电压，而且不需要冷却系统。这种设计可以减少包装的重量和体积，能够实现能量密度的大幅度提升。
[0003]采用固体电解质替代传统液态电解质使得电极材料表面缺少液体的浸润，电极材料与电解质的界面阻抗变大。通常固体电解质作为锂离子传输介质具有较强的力学性能，可在循环过程中有效抑制锂枝晶的生长，提高电池安全性。然而金属锂还原性强，极易与电解质产生副反应，生成高阻抗的界面相，降低电极/电解质界面稳定性。另外，与固/液接触不同，固体电解质与锂金属负极界面浸润性差，固固接触会导致界面阻抗增加。
[0004]目前，已经有一些可行的解决方案，例如：对固体电解质进行一定程度的掺杂改性增加对金属锂负极的稳定性，具体如：在硫化物电解质中掺杂少量的氧化物成分；或在固体电解质与锂金属负极引入稳定的中间层，具体如：采用原子层沉积的方法制备一层Al2O3，或者利用分子沉积在锂金属表面沉积具有塑性的有机无机复合层。这些方法在一定程度上改善了界面稳定性与相容性，但是整体制备工艺较为复杂且成本较高，不适宜大规模工业化应用。到目前为止，已经实现的性能与实际的商业化应用要求相距仍然较大。

技术实现思路

[0005]针对目前电解质/锂负极界面接触差及界面阻抗大的问题，本专利技术提供一种固态锂电池用双功能界面修饰层及锂电池。该双功能界面修饰层可应用于固态锂金属电池中，能够显著提升电解质/锂负极的界面兼容性，抑制锂枝晶的生长，且制备方法简便，容易操作。
[0006]本专利技术具体是通过以下技术方案来实现的，依据本专利技术提出的一种固态锂电池用双功能界面修饰层，包括聚合物电解质层及锂合金层，所述聚合物电解质层用于和锂电池的电解质接触，所述锂合金层用于和锂电池的锂负极接触；
[0007]所述聚合物电解质层包括聚合物基体和锂盐；
[0008]所述锂合金层中的锂合金至少包括含锂二组分合金、含锂三组分合金、含锂四组分合金中的一种；所述的含锂二组分合金至少包括铝锂合金、镁锂合金、锂硅合金、锂铟合金、锂硼合金、锂锡合金、锂镓合金、锂锌合金、锂铋合金中的一种，含锂三组分合金至少包
括铝镁锂合金、铝硅锂合金中的一种，含锂四组分合金至少包括铝镁锂锌合金、铝镁锂铜合金中的一种。
[0009]本专利技术还提供一种固态锂电池用双功能界面修饰层的制备方法，具体包括以下步骤：
[0010](1)配置一定浓度的MCl
x
(0＜x≤1)溶液，将配置好的溶液采用喷涂或旋涂或喷雾的方式喷在锂负极表面，喷涂或旋涂或喷雾的时间为10s～10min，之后用溶剂将其表面冲洗干净，真空干燥10h
‑
48h，在锂负极表面形成锂合金层Li
x
M(0＜x≤1)，得到Li@Li
x
M负极；其中，M为As、In、Zn、Mg、Si、B、Sn、Bi其中的一种或多种；
[0011](2)称量聚合物基体和锂盐，将其溶解在有机溶剂中形成聚合物电解质溶液，将聚合物电解质溶液采用旋涂或喷涂方式在步骤(1)得到的Li@Li
x
M负极的锂合金层Li
x
M表面形成聚合物电解质层，聚合物电解质层和锂合金层共同组成所述的双功能界面修饰层，锂负极与双功能界面修饰层中的锂合金层接触。
[0012]优选地，步骤(1)MCl
x
(0＜x≤1)溶液中MCl
x
的浓度为0.001～0.5mol/L。
[0013]优选地，步骤(1)MCl
x
(0＜x≤1)溶液在锂负极表面的涂覆量为5～200μL/cm2，优选为10～60μL/cm2，步骤(2)中的旋涂转速为100～600rpm，旋涂时间为10s
‑
10min，聚合物电解质溶液在锂合金层表面的涂覆量为5～200μL/cm2，优选为10～60μL/cm2。若涂覆量过少，在溶剂蒸发(干燥)后，其聚合物电解质的负载量过少而无法完全覆盖至金属锂表面，即无法均匀覆盖成膜，从而影响后续电池性能的发挥。若涂覆量过多，造成聚合物电解质层过厚，则会影响电池性能的发挥。
[0014]优选地，所述聚合物基体包括聚氧化乙烯或其改性物、聚偏氟乙烯或其改性物、聚甲基丙烯酸甲酯或其改性物、聚丙烯腈或其改性物、聚乙烯吡咯烷酮或其改性物、氯醚橡胶或其改性物、聚甲基乙撑碳酸酯或其改性物、聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯中的任意一种或至少两种的共混组合。
[0015]优选地，所述锂盐为聚合物电解质锂盐，至少包括高氯酸锂、六氟磷酸锂、六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、三氟甲烷磺酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂中的任意一种。
[0016]优选地，所述聚合物基体和锂盐的质量比为(3～97):(5～90)，优选为(20～80):(20～80)，聚合物基体与有机溶剂的质量比为(10～80):(20～90)；双功能界面修饰层的厚度为10～100μm。
[0017]优选地，步骤(1)和步骤(2)中的溶剂至少包括无水乙腈，N,N
‑
二甲基甲酰胺，N
‑
甲基吡咯烷酮，环己烷，四氢呋喃，异丙醇，乙二醇，二甲基亚砜中的一种；
[0018]本专利技术还提供一种固态锂电池，该固态锂电池包括正极片、负极片、固态电解质和如前所述的双功能界面修饰层，固态电解质位于正极片和双功能界面修饰层之间，双功能界面修饰层位于固态电解质和负极片之间；其结构为正极/固态电解质/双功能界面修饰层/金属锂负极。该双功能界面修饰层包括聚合物电解质层及锂合金层，聚合物电解质层与锂电池的固态电解质接触，锂合金层与锂电池的负极片接触。
[0019]进一步地，所述正极片的材质可以选自LiFePO4，LiNi1‑
x
‑
y
Co
x
E
y
O2(E＝Mn、Al，0≤x≤1，0≤y≤1)，LiMO2(M＝Co、Ni、Mn)、LiMn2O4、富锂相xLi2MnO3(1
‑
x)LiMO2(M＝Mn、Ni或Co，0≤x≤1)、单质硫、Li2S中的一种或多种，负极片的材质可以选自石墨负极，硅碳负极，金属
锂负极中的一种或多种。
[0020]进一步地，所述正极活性材料为LiNbO3，Al2O3，ZrO2包覆的LiNi<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.固态锂电池用双功能界面修饰层，其特征在于包括聚合物电解质层和锂合金层，所述聚合物电解质层用于和锂电池的电解质接触，所述锂合金层用于和锂电池的锂负极接触；所述聚合物电解质层包括聚合物基体和锂盐；所述锂合金层中的锂合金至少包括含锂二组分合金、含锂三组分合金、含锂四组分合金中的一种；所述的含锂二组分合金至少包括铝锂合金、镁锂合金、锂硅合金、锂铟合金、锂硼合金、锂锡合金、锂镓合金、锂锌合金、锂铋合金中的一种，含锂三组分合金至少包括铝镁锂合金、铝硅锂合金中的一种，含锂四组分合金至少包括铝镁锂锌合金、铝镁锂铜合金中的一种。2.固态锂电池用双功能界面修饰层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)配置一定浓度的MCl
x
(0＜x≤1)溶液，将配置好的溶液采用喷涂或旋涂或喷雾的方式喷在锂负极表面，喷涂或旋涂或喷雾的时间为10s～10min，之后用溶剂将其表面冲洗干净，真空干燥10h～48h，在锂负极表面形成锂合金层Li
x
M(0＜x≤1)，得到Li@Li
x
M负极；其中，M为As、In、Zn、Mg、Si、B、Sn、Bi其中的一种或多种；(2)称量聚合物基体和锂盐，将其溶解在有机溶剂中形成聚合物电解质溶液，将聚合物电解质溶液采用旋涂或喷涂方式在步骤(1)得到的Li@Li
x
M负极的锂合金层Li
x
M表面形成聚合物电解质层，聚合物电解质层和锂合金层共同组成所述的双功能界面修饰层，锂负极与双功能界面修饰层中的锂合金层接触。3.如权利要求2所述的固态锂电池用双功能界面修饰层的制备方法，其特征在于步骤(1)MCl
x
(0＜x≤1)溶液中MCl
x
的浓度为0.001～0.5mol/L。4.如权利要求2所述的固态锂电池用双功能界面修饰层的制备方法，其特征在于步骤(1)MCl
x
(0＜x≤1)溶液在锂负极表面的涂覆量为5～200μL/cm2，步骤(2)中的旋涂转速为100～600rpm，旋涂时间为10s～10min，聚合物电解质溶液在锂合金层表面的涂覆量为5～200μL/cm2。5.如权利要求2所述的固态锂电...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊竟广，武超，王芳，杨天翔，
申请(专利权)人：洛阳理工学院，
类型：发明
国别省市：