[發明專利]一種低界面電阻的固態鋰離子電池及其制備方法

在審

• 申請號: 202110601456.3
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113328135A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 王秋君;張聘;王波;張迪;李昭進;李文
• 申請（專利權）人: 河北科技大學
• 主分類號: H01M10/056
• 分類號: H01M10/056;H01M10/058;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 張沙沙

本發明涉及新能源電池技術領域，尤其涉及一種低界面電阻的鋰離子電池及其制備方法。所述固態鋰離子電池包含依次布置的正極層、復合電解質層和改性鋰基負極層；所述復合電解質層包括凝膠電解質層和無機固態電解質層，所述凝膠電解質層位于所述正極層和所述無機固態電解質層之間；所述無機固態電解質層為石榴石型無機固態電解質層；所述改性鋰基負極層由質量比為50～100:1的熔融態的金屬鋰與硝酸鹽制備得到。本發明的制備方法在減小復合電解質之間的界面電阻的同時，還可以顯著減小固態電池的電極與固態電解質之間的界面電阻，增加其界面相容性，在充放電過程中能很好地適應電極體積的變化并抑制界面分離，具有很好的產業化應用前景。

技術領域

本發明涉及新能源電池技術領域，尤其涉及一種低界面電阻的鋰離子電池及其制備方法。

背景技術

傳統的鋰離子電池中存在大量的碳酸酯類有機電解液，雖然液體電解質具有高導電性和極好的電極表面潤濕性，但在使用中存在易燃、易爆、易漏液等安全隱患，并且在過度充電的情況下容易產生鋰枝晶從而導致電池短路等問題。固態電解質可以機械地抑制鋰枝晶生長，并具有較高的電導率、堅固的機械強度、足夠的化學穩定性和寬的電化學窗口。因此基于固態電解質的固態鋰電池有望解決鋰離子電池的安全性問題。

固態鋰電池中的固態電解質可分為有機聚合物電解質、無機固態電解質和有機聚合物電解質與無機固態電解質復合而成的復合電解質。有機聚合物電解質的電池易加工，但是其室溫電導率低；無機固態電解質的室溫電導率雖然較高，但是其材料成本較高且電池工藝復雜；復合電解質具備易加工性能，并且具有較高的室溫電導率，但是復合電解質之間接觸不良，存在較大的界面電阻。高界面電阻阻礙了高能量密度固態電池中鋰金屬負極的發展和使用。直接將無機固態電解質顆粒加入到有機聚合物電解質中復合，可以降低復合電解質之間的界面電阻。然而，無機固態電解質顆粒與有機聚合物電解質復合時，容易產生團聚現象，導致離子電導率降低。并且固態鋰電池還存在固態電池的電極與固態電解質之間界面電阻大、界面相容性較差以及固態電池在充放電過程中電極體積的膨脹和收縮容易導致界面分離的問題。

為了解決當前存在的問題，研發一種新型的固態鋰離子電池具有十分重要的意義。

發明內容

基于現有技術中存在的以上問題，本發明提供一種低界面電阻的固態鋰離子電池，并提供其制備方法，該固態鋰離子電池，在減小復合電解質之間界面電阻的同時，還可以減小固態電池的電極與固態電解質之間的界面電阻，增加其界面相容性，在充放電過程中能很好地適應電極體積的變化并抑制界面分離，克服了現有技術的缺陷。

為達到上述發明目的，本發明采用了如下的技術方案：

第一方面，本發明實施例提供了一種低界面電阻的固態鋰離子電池，所述固態鋰離子電池包含依次布置的正極層、復合電解質層和改性鋰基負極層；所述復合電解質層包括凝膠電解質層和無機固態電解質層，所述凝膠電解質層位于所述正極層和所述無機固態電解質層之間；所述無機固態電解質層為石榴石型無機固態電解質層；所述改性鋰基負極層由質量比為50～100:1的熔融態的金屬鋰與硝酸鹽制備得到。

本發明的無機固態電解質層為石榴石型無機固態電解質層，通過石榴石型的凹凸結構，可以增強其與凝膠電解質之間的粘結力，降低凝膠電解質層和無機固態電解質層之間脫離的可能性，減小凝膠電解質層和無機固態電解質層之間的界面電阻。本發明通過在正極層和無機固態電解質層之間引入柔性的凝膠電解質，可以充分潤濕正極層和無機固態電解質層的界面，改善正極層與無機固態電解質層之間的接觸，減小界面電阻。本發明的改性鋰基負極層由熔融態的金屬鋰與硝酸鹽制備而成，在制備過程中熔融態的金屬鋰被硝基氧化成氮化鋰、氧化鋰和氮氧化鋰，硝酸鹽中的金屬被鋰還原后再與過量的金屬鋰進一步反應形成親鋰合金。氮化鋰和親鋰合金在鋰負極與無機固態電解質間隙中形成具有保護作用的界面層，這種界面層具有較高的循環穩定性和良好的機械強度，可以防止鋰樹枝狀晶體的生長，同時可以很好地適應電極體積的變化并抑制界面分離。