[發(fā)明專(zhuān)利]一類(lèi)低界面電阻、高機(jī)械強(qiáng)度全固態(tài)電池的制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611120662.8
• 申請(qǐng)日: 2016-12-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106784966B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭玉國(guó);段惠;殷雅俠;萬(wàn)立駿
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01M10/04
• 分類(lèi)號(hào): H01M10/04
• 代理公司: 北京知元同創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞;牛艷玲

提供一類(lèi)低界面電阻的全固態(tài)鋰金屬電池，該固態(tài)電池的正極側(cè)與聚合物電解質(zhì)接觸，負(fù)極側(cè)的金屬鋰與無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)接觸。由于聚合物與金屬鋰接觸的不穩(wěn)定，以及正極與陶瓷電解質(zhì)接觸的界面相容性差，這種電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證電解質(zhì)和電極良好的界面相容性的同時(shí)又使得電極和電解質(zhì)接觸的穩(wěn)定性。同時(shí)負(fù)極側(cè)致密的無(wú)機(jī)陶瓷層可以在循環(huán)過(guò)程中有效抑制鋰枝晶刺穿隔膜。該全固態(tài)電池表現(xiàn)出較高的比容量，循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，并且較好的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)鋰枝晶具有較高的抑制作用。該全固態(tài)電池制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉、電化學(xué)性能優(yōu)異，具有廣闊的應(yīng)用前景及優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源材料制備和電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一類(lèi)低界面電阻、高機(jī)械強(qiáng)度的全固態(tài)電池的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，化石燃料日益匱乏，發(fā)展清潔，便宜及安全的儲(chǔ)能技術(shù)顯得尤為重要。鋰金屬電池以其較高理論能量密度(3860mAh g^-1)受到越來(lái)越多的重視，但是鋰金屬液態(tài)電池存在電解液的泄露，金屬鋰負(fù)極的不均勻沉積和溶解形成鋰枝晶刺穿隔膜使電池短路，局部過(guò)熱而發(fā)生燃燒或爆炸等安全問(wèn)題，從而限制了鋰金屬電池的發(fā)展。

由于液態(tài)電池的低安全性及低的能量密度等，全固態(tài)鋰金屬電池成為國(guó)際研究熱點(diǎn)。無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)以其超高的電導(dǎo)率及較寬的電化學(xué)窗口受到了廣大研究者的關(guān)注，然而其致命的問(wèn)題就是薄陶瓷片的制備工藝太難，太復(fù)雜，并且制備的單純的陶瓷片極脆，電池的正負(fù)極界面接觸性超差，差的界面接觸大大限制了高功率電池的發(fā)展，從而極大程度的限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。聚合物電解質(zhì)以其較好的柔韌性，使得電解質(zhì)與電極的界面接觸良好從而得到廣泛的研究，然而其離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度之間的矛盾使得高離子電導(dǎo)率的聚合物具有極差的機(jī)械強(qiáng)度，從而限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。因此制備一種同時(shí)兼具高離子電導(dǎo)率，高機(jī)械強(qiáng)度和好界面接觸的全固態(tài)電池是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

本發(fā)明創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一類(lèi)低界面電阻的全固態(tài)鋰金屬電池，該固態(tài)電池的正極側(cè)與聚合物電解質(zhì)接觸，負(fù)極側(cè)的金屬鋰與無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)接觸。由于聚合物與金屬鋰接觸的不穩(wěn)定，以及正極與陶瓷電解質(zhì)接觸的界面相容性差，這種電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證電解質(zhì)和電極良好的界面相容性的同時(shí)又使得電極和電解質(zhì)接觸的穩(wěn)定性。同時(shí)負(fù)極側(cè)致密的無(wú)機(jī)陶瓷層可以在循環(huán)過(guò)程中有效抑制鋰枝晶刺穿隔膜。該結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)兼具高離子電導(dǎo)率，高機(jī)械強(qiáng)度和好界面接觸的全固態(tài)電池。全固態(tài)電池表現(xiàn)出較高的比容量，循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，并且較好的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)鋰枝晶具有較高的抑制作用。該全固態(tài)電池制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉、電化學(xué)性能優(yōu)異，具有廣闊的應(yīng)用前景及優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一類(lèi)具有低界面電阻、較高離子電導(dǎo)率、高機(jī)械強(qiáng)度、高安全性的固態(tài)電池。

為了達(dá)到上述目的，具體技術(shù)方案如下：

一方面，提供一類(lèi)低界面電阻、高安全、高離子電導(dǎo)率的固態(tài)電池，包括涂覆有無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)的聚合物膜，所述無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)的聚合物膜是由陶瓷涂覆漿料均勻涂覆在聚合物膜表面制成。

所述固態(tài)電池的制備方法包括如下步驟：

步驟1)，將無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)粉體、粘結(jié)劑在有機(jī)溶劑中混合均勻得到涂覆漿料，涂覆在聚合物基材上的一側(cè)或兩側(cè)，烘干制得無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)涂覆的聚合物膜，所述聚合物膜表面涂覆的陶瓷涂層的厚度為2-80微米；優(yōu)選地，所述涂覆漿料包含：10-90wt％的無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)、0.5-5wt％的粘結(jié)劑、0.2-5wt％的添加劑和0.01-0.2wt％的助劑；優(yōu)選地，所述無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)為鋰多硫磷化物、鋰礦石型氧化物、鋰磷酸鹽類(lèi)中的一種或幾種；所述陶瓷涂覆漿料中的粘接劑包括聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯乳液、聚苯乙烯-丙烯酸丁酯乳液，聚四氟乙烯乳液、聚偏四氟乙烯乳液、聚氧乙烯溶液、聚乙二醇溶液、聚苯乙烯磺酸鋰溶液中的一種或幾種；