一种具有高扩散系数界面层及其制备方法和电池技术

本发明专利技术公开了一种具有高扩散系数界面层，所述界面层的原材料包括碳材料、具有硫代酰胺基团的有机化合物。本发明专利技术的界面层可以有效的降低阳极的局部电流密度和提升Li

【技术实现步骤摘要】
一种具有高扩散系数界面层及其制备方法和电池


[0001]本专利技术涉及材料
，具体涉及一种具有高扩散系数界面层及其制备方法和电池。

技术介绍

[0002]与近年来，高安全性的全固态电池引起了广泛关注。硫化物固态电解质(SSEs)具有最高的离子电导率(1
‑
25mS cm
‑1)和理想的机械性能，以及与活性材料更好的界面接触，被认为是最有希望的SSEs之一。凭借最低的氧化还原电位(与标准氢电极相比为
‑
3.04V)和超高的比容量(3860mAh g
‑1)，金属锂是实现高能量密度的全固态电池(ASSBs)最有希望的阳极。因此，采用硫化物电解质和金属锂阳极的硫化物全固态金属锂电池(ASSLMBs)是最有希望实现高安全性和高能量密度目标的。
[0003]然而，长期以来，自旋体中锂枝晶的生长限制了ASSLMBs的发展。锂枝晶的生长主要是由几个原因造成的。首先，锂的低结合强度、低表面能和高流动性使其容易出现一维晶须生长。其次，金属锂在剥离过程中倾向于与SSE形成空隙，导致界面接触不良，界面阻力大，电荷分布不均匀，过电位高，这将加剧Li树枝状物的形成。为了应对界面问题，研究人员开发了大量的界面保护层来改善界面问题。有研究学者采用ZnO、Al4Li9、LiF、Ag
‑
C和石墨层已经被用来润湿界面并提供锂的沉积点，然而，ASSLMBs所能达到的电流密度和面积容量仍然不足以满足商业应用。这主要是因为Li树枝状物的形成也是由Li
+
的还原速度和它们在电极周围的补充决定的。在高电流密度下，由于Li
+
向Li的还原速度较快，形成Li树枝状物的机会大大增加。如果Li
+
没有得到及时的补充，就会发生局部电荷积累，从而诱发Li树枝状物的生长。ASSLMBs中的锂沉积只发生在阳极
‑
SSE界面，进一步增加了电荷积累的风险，因此大大限制了ASSLMBs的速率性能。因此，构建三维金属锂阳极，使金属锂的沉积不限于阳极和电解质之间的界面，是抑制锂枝晶生长的有效途径，从而提高电池的速率性能。导致金属锂在电解质和阳极之间的界面上沉积的主要原因是Li
+
在阳极中的扩散系数低，这导致Li
+
不能被输送到阳极内部并在界面上直接获得电子。因此，开发无树枝状物的ASSLMB的首要任务是设计具有高离子扩散系数和电子传导性的锂金属阳极。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中的问题，公开了一种具有高扩散系数界面层，本专利技术的界面层可以有效的降低含金属锂阳极的局部电流密度和提升Li
+
在含金属锂阳极的扩散能力，防止电荷的积累，促使Li
+
可以得到及时的补充，从而避免Li树枝状物的生长。本专利技术的界面层用于电池中可以提升电池的电性能和安全性能。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术提供的一种具有高扩散系数界面层，所述界面层的原材料包括碳材料、具有硫代酰胺基团的有机化合物。
[0007]本专利技术的上述设计，硫代酰胺基团(结构式I)中的S和N在碳材料中掺杂，形成C
‑
N
和C
‑
S键，C
‑
N和C
‑
S键可以进一步降低Li
+
的传输能垒，从而显著提高Li
+
的扩散速率，因此，Li
+
能够扩散到整个界面层，获得电子，形成金属锂。这种在界面层内沉积金属锂的方式可以有效地降低阳极的局部电流密度，防止电荷的积累，使Li
+
可以得到及时的补充，从而避免Li树枝状物的生长。可见，本专利技术的界面层能提升含金属锂阳极的锂离子扩散率，还能减少锂枝晶的形成，从而提升电池的电性能和安全性能。
[0008]所述硫代酰胺基团具有结构式I为：
[0009][0010]作为进一步方案，所述碳材料和具有硫代酰胺基团的有机化合物的质量比为1:(0.125
‑
1)。
[0011]作为进一步方案，所述碳材料和具有硫代酰胺基团的有机化合物的质量比为1:(0.5
‑
1)。具有更佳的电性能。
[0012]作为进一步方案，所述碳材料包括软碳、硬碳中的一种或多种。软碳具有更大的层间距，更有利于Li
+
的扩散。
[0013]作为进一步方案，所述软碳包括石墨、石油焦、针状焦、碳纤维、碳微球中的一种或多种。
[0014]作为进一步方案，所述硬碳包括树脂碳、有机聚合物碳中、炭黑、生物质碳的一种或多种。
[0015]作为进一步方案，所述树脂碳包括酚醛树脂、环氧树脂、聚糠醇树脂中的一种或多种。
[0016]作为进一步方案，所述有机聚合物碳包括PVA(聚乙烯醇)、PVC(聚氯乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PAN(聚丙烯腈)中的一种或多种。
[0017]作为进一步方案，所述炭黑包括CVD法制备的乙炔黑。
[0018]作为进一步方案，所述生物质碳包括植物残渣。
[0019]作为进一步方案，所述具有硫代酰胺基团的有机化合物包括硫脲、硫代乙酰胺。
[0020]作为进一步方案，所述界面层的原材料还包括成膜剂。
[0021]作为更进一步方案，所述成膜剂包括聚四氟乙烯、聚乙烯、聚六氟丙烯、丁苯橡胶中的一种或多种。
[0022]作为进一步方案，所述界面层以衍射角2θ表示的X射线粉末衍射图谱中，具有25
°
、44
°
、45
°
特征峰。
[0023]作为进一步方案，所述界面层厚度为25μm
‑
35μm。
[0024]本专利技术还提供了所述界面层的制备方法，所述制备方法包括：
[0025]按照碳材料和具有硫代酰胺基团的有机化合物的质量比称取，混合，将混合后的碳材料和具有硫代酰胺基团的有机化合物在惰性气氛中进行煅烧，获得复合物，复合物然后与成膜剂混合，干法辊压成膜，获得本专利技术的界面层。具有硫代酰胺基团的有机化合物在煅烧过程中产生H2S和NH3分子，NH3分子的直径略大于碳材料的层间距，因此热的NH3分子可
以在煅烧过程中进一步扩大碳材料的层间距，从而促进Li
+
的扩散；并且H2S和NH3分子在煅烧过程中可以攻击C
‑
C键，增加碳材料的缺陷度，形成C
‑
N和C
‑
S键，缺陷可以实现Li
+
在碳层之间的跨越，增加传输路径，而C
‑
N和C
‑
S键可以进一步降低Li
+
的传输能垒，从而显著提高Li
+
的扩散速率，促使Li
+
能够扩散到整个碳材料层，获得电子，形成金属锂。本专利技术中干法辊压成膜有利于促进界面层成膜，本领域技术人员可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高扩散系数界面层，其特征在于，所述界面层以衍射角2θ表示的X射线粉末衍射图谱中，具有25
°
、44
°
、45
°
特征峰。2.根据权利要求1所述的一种具有高扩散系数界面层，其特征在于，所述界面层的原材料包括碳材料、具有硫代酰胺基团的有机化合物、成膜剂；所述硫代酰胺基团具有结构式I：3.根据权利要求1所述的一种具有高扩散系数界面层，其特征在于，所述碳材料和具有硫代酰胺基团的有机化合物的质量比为1:(0.125
‑
1)；进一步优选，所述碳材料和具有硫代酰胺基团的有机化合物的质量比为1:(0.5
‑
1)。4.根据权利要求1所述的一种具有高扩散系数界面层，其特征在于，所述碳材料包括软碳、硬碳中的一种或多种；所述具有硫代酰胺基团的有机化合物包括硫脲、硫代乙酰胺中的一种或多种；所述成膜剂包括聚四氟乙烯、聚乙烯、聚六氟丙烯、丁苯橡胶中的一种或多种；进一步优选，所述软碳包括石墨、石油焦、针状焦、碳纤维、碳微球中的一种或多种；所述硬碳包括树脂碳、有机聚合物碳中、炭黑、生物质碳的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种具有高扩散系数界面层，其特征在于，所述界面层厚度为25μm
‑
35μm。6.权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凡，王志轩，
申请(专利权)人：长三角物理研究中心有限公司中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：