[發明專利]固態電池及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010191266.4
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111430688A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 拉杰什·麥加;李紅朝;周龍捷;朱金鑫;普拉杰什·PP;馬忠龍
• 申請（專利權）人: 蜂巢能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/0562;H01M10/42;H01M4/505;H01M4/525
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 肖陽

本發明公開了固態電池及其制備方法和應用。固態電池包括正極片、固態硫化物電解質層和負極片，所述正極片包括正極復合材料、固態硫化物電解質和導電劑，所述正極復合材料包括正極材料和形成在所述正極材料表面的LATP包覆層；所述固態硫化物電解質層設在所述正極片和所述負極片之間。其中，所述LATP包覆層是以所述正極材料表面殘存的鋰鹽作為導向劑和鋰源，誘導鋰源、鋁源、鈦源和磷源通過原位合成法得到的。該固態電池在室溫及高溫下(70℃)均具有較好的倍率性能及循環性能。

技術領域

本發明屬于鋰電池領域，具體而言，涉及固態電池及其制備方法和應用。

背景技術

固態鋰電池由于具有較高能量密度和出色的安全性能，被廣泛認為是下一代各種儲能設備有前途的發展方向。然而，電極片和固態電解質之間的界面問題仍然是阻礙固態鋰電池產業化發展以及商業化應用的關鍵。對于典型的固態鋰電池來說，最常見且最讓人頭疼的問題是如何實現和保持緊密的固-固相的界面接觸。同時，不同類型的固態電解質也會出現不同的問題，這取決于相鄰固態組分的固有性質。

固態硫化物電解質是一種固態電解質，即以硫代替氧的氧化物電解質。由于S的電負性小于O，與Li⁺的結合能較低，Li⁺可以更自由地運動。在所有固態電解質中，固態硫化物電解質的鋰離子電導率最高；此外，固態硫化物電解質的另一個引人注目的特點是其力學性能，這些材料在機械壓力下表現出塑性變形的特性，這種柔軟性使制備緊實的界面成為可能。近年來，固態硫化物電解質的研究重點是具有良好的鋰離子導電性、電化學穩定性和力學性能的LPSCL體系。由于氧化物正極和固態硫化物電解質之間的Li⁺化學電勢差，Li⁺可能會從電解質遷移到正極，從而在兩側形成表面電荷層(SCL)。由于氧化物正極中離子和電子的混合導電性，可以在正極側補償Li⁺梯度濃度。然而，由于電解質的單離子導電性，SCL將保留在電解質側，所得的SCL會顯著降低Li⁺的傳輸并引起高極化。

引入緩沖層是避免表面電荷層形成的有效策略，用LiNbO₃等包覆正極材料是目前最常用的方法。然而，現有方法并不能較好解決硫化物固態電池中存在的電化學性能差，尤其是循環性能差的瓶頸。例如，有采用高成本的溶膠-凝膠法在正極材料LiCoO₂表面包覆Li_4/3Ti_5/3O₄、LiTi₂(PO₄)₃或LiNbO₃，但得到的正極材料能量密度較低，且表面電阻高，倍率性能差，無高溫性能；也有采用脈沖激光沉積法(PLD法)在正極材料LiCoO₂和LiMn₂O₄表面包覆Li₃PO₄和Li₄SiO₄，或采用靜電霧化法在由LiNi_0.5Mn_1.5O₄組成的活性正極材料表面上包覆Li₃PO₄，但得到的正極材料能量密度均較低。除上述缺點之外，現有包覆材料鋰離子導電性差或作為絕緣體使用，從而進一步導致了正極材料的電化學性能較差，例如，目前最成功的方法是用LiNbO₃等包覆正極材料，但由于LiNbO₃的離子電導率較低，這種包覆在較高的電流倍率下通常會導致放電容量不足，特別是在高鎳三元正極體系中，這種方法也不是一個成功的方法。因此，應考慮其他方法。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種固態電池及其制備方法和應用，以解決硫化物固態電池中存在的電化學性能差，尤其是循環性能差等的問題，顯著改善硫化物固態電池的導電性、循環性能、倍率性能、安全性能和使用壽命等，使硫化物固態電池在室溫及高溫下均具有較好的倍率性能及循環性能。