[發明專利]一種低界面阻抗的鋰/石榴石基固態電解質界面及其制備方法

有效

• 申請號: 202010163216.5
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN113381055B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 溫兆銀;蘇建猛;靳俊;修同平;宋真;M·E·巴丁
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所;康寧股份有限公司
• 主分類號: H01M10/052
• 分類號: H01M10/052;H01M10/0562;H01M10/058
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲

本發明涉及一種低界面阻抗的鋰/石榴石基固態電解質界面及其制備方法，具體涉及一種鋰金屬電池及其制備方法。所述鋰金屬電池，包括：基材、負載于基材上的正極、設置在正極上的石榴石基固態電解質、設置在石榴石基固態電解質上的鋰負極，其中一類變色層設置于鋰負極和石榴石基固態電解質之間。這類變色層包括：第一部分和第二部分。其中第一部分為含鋰化合物，第二部分為石榴石組分。一種用于鋰金屬電池的制備方法，包括：將石榴石源與至少一種鋰源堆疊在一起，得到疊層；將所述疊層在≥300℃的溫度下加熱1秒至20分鐘的時間以形成變色層，使得所述變色層設置在石榴石基固態電解質和鋰負極的界面處。

技術領域

本發明一種鋰金屬電池及其制備方法，具體涉及一種低界面阻抗的鋰/石榴石基固態電解質界面及其制備方法。

背景技術

傳統鋰離子電池在能量密度和安全性方面已經接近極限，這對于在電氣設備中的大規模應用提出了挑戰。例如，基于石榴石基電解質的固態鋰金屬電池在鋰陽極/石榴石電解質界面具有較大的界面阻抗。這主要是由于石榴石的固有特性以及其與金屬鋰之間的潤濕性差，造成金屬鋰和石榴石電解質的接觸不充分，從而導致大的極化和高的界面阻抗。

發明內容

本專利公開了一種用于固態鋰金屬電池的改進的鋰負極/石榴石基固態電解質界面及其制備方法。

在一些實施例中，鋰金屬電池包括：基板(或稱基底、襯底等)，設置在基板上的正極，設置在正極上的石榴石基固態電解質，以及設置在石榴石基固態電解質上的金屬鋰負極。其中，變色層設置在金屬鋰負極和石榴石基固態電解質的界面處，該變色層包括：第一部分和第二部分，其中第一部分包括含鋰化合物，第二部分包括石榴石基固態電解質組分。其中，金屬鋰負極可為鋰單質或/和鋰合金。在本專利中，石榴石基固態電解質可簡稱為石榴石固態電解質、石榴石電解質、或石榴石等。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，該界面處的界面電阻小于1Ω·cm^-2。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，變色層的厚度為1-50nm。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，鋰金屬電池還包括：設置在石榴石基固態電解質和鋰負極之間的修飾層。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，修飾層包括以下至少一種及其組合：Au、Ag、Al、Si、C、Zn、Mg、Sn、Ti、B、Pb、Ge；該修飾層的厚度為1-50nm。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，變色層中第一部分位于：(A)第二部分的孔中；(B)在第二部分的表面上；或(C)其組合。

在一些實施例中，一種制備鋰金屬電池的方法，包括：至少一種鋰源負載到石榴石基固態電解質上(即得到疊層)，加熱溫度至≥300℃并保溫1秒到20分鐘形成變色層，且變色層形成于石榴石基固態電解質和鋰源的界面處。其中，鋰源可為鋰單質或/和鋰合金。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，加熱的溫度至少為320℃。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，該方法還包括：先將改性涂層源(濺射形成修飾層的原料)濺射石榴石基固態電解質上(形成修飾層)，然后將至少一個鋰源堆疊在石榴石基固態電解質上。該修飾層在后續的≥300℃熱處理過程中，與鋰源和石榴石基固態電解質發生反應，共同形成變色層。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，修飾層包括以下至少一種及其組合：Au、Ag、Al、Si、C、Zn、Mg、Sn、Ti、B、Pb、Ge。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，變色層厚度為1-50nm，修飾層厚度為1-50nm。

在可與其他任何方面或實施方案組合的一個方面中，變色層包括：第一部分和第二部分，第一部分包含含鋰化合物，第二部分包含石榴石電解質組分。