[發明專利]一種高性能全固態電池及其制備方法

在審

• 申請號: 202211049518.5
• 申請日: 2022-08-30
• 公開（公告）號: CN115411376A
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 慈立杰;魏游日;程俊;李德平
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: H01M10/0585
• 分類號: H01M10/0585;H01M10/0525;H01M10/42;H01M10/0562;H01M4/131;H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 劉芙蓉

本發明公開的一種高性能全固態電池及其制備方法，所述高性能全固態電池，包括從上至下依次層疊設置的金屬鋰負極、復合功能層、固態電解質陶瓷片、離子液體?鋰鹽改性層、正極極片；本發明采用表面包覆有固態電解質的富鋰錳基正極材料作為正極材料，可以提升材料的循環穩定性以及倍率性能，且在正極極片與固態電解質陶瓷片的界面處引入離子液體和鋰鹽復合物以及在負極與固態電解質陶瓷片的界面處引入復合功能層，提高了正極、負極與固態電解質陶瓷片的界面接觸性，從而獲得更好的離子電導率和更低的電池整體阻抗，復合功能層中加入金屬單質可以吞噬金屬鋰負極在循環過程中生長的鋰枝晶，降低極化電壓以及電池短路可能性，提升電池循環穩定性。

技術領域

本發明涉及全固態電池技術領域，尤其涉及一種高性能全固態電池及其制備方法。

背景技術

目前，大規模應用的鋰離子二次電池采用有易燃、有毒的有機電解液作為電解質，存在極大的安全隱患。例如，當電池遭遇惡劣的工作環境時(比如高溫)，可能會自燃甚至引起爆炸，嚴重威脅著人們的生命財產安全。

近年來，關于固態電解質的研究主要是聚合物電解質和無機固態電解質兩個方向。其中，聚合物電解質包括聚環氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)等。聚合物電解質最大的優勢在于與電極接觸性好，從而提升固態電池的離子傳導率和倍率性能。然而，聚合物電解質也存在致命的缺點——與電極相容性較差；例如，PEO電化學窗口較低，當電壓達到4V以上時會發生分解，因此其無法匹配高壓正極材料從而限制了電池的能量密度；PEO、PAN雖然電化學窗口較高，但它們和金屬鋰的相容性差，在電池充放電循環過程中會跟金屬鋰持續發生副反應，增加電池阻抗，影響電池壽命。目前尚未有工作報道一款成熟的聚合物電解質體質。

而無機固態電解質包括鋰快離子導體型固態電解質(LISICON)、鈉快離子導體型固態電解質(NASICION)、鈣鈦礦型固態電解質、石榴石型固態電解質；相比于聚合物電解質，無機固態電解質具有更高的電化學窗口，更好的穩定性，更高的離子電導率，因此，無機固態電解質比聚合物固態電解質更具研究前景。然而，無機固態電解質與正極的固-固接觸帶來的差的界面接觸性限制了其應用，目前針對無機固態電解質體系固態電池的研究也集中于電極-固態電解質界面改性；負極-固態電解質界面常用的改性方法為引入功能性涂層，包括引入聚合物電解質來構建有機-無機復合固態電解質體系；正極-固態電解質界面常用改性方法為對正極顆粒進行二次包覆，從而提高與固態電解質的相容性，但簡單的顆粒包覆對界面常用改性方法為對正極顆粒進行二次包覆，從而提高與固態電解質的相容性，但簡單的顆粒包覆對界面接觸的改善十分有限，為此，目前大部分針對無機固態電解質體系的開發都會在正極-電解質界面處滴加微量的電解液來構建半固態體系，但是這種方法增加了電池使用的安全隱患，背離了構建全固態電池體系的初衷。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種高性能全固態電池及其制備方法，旨在解決現有的正極極片、負極極片與固態電解質的界面相容性差，導致界面處的離子電導率低、電池循環壽命短等問題。

本發明的技術方案如下：

一種高性能全固態電池，包括從上至下依次層疊設置的金屬鋰負極、復合功能層、固態電解質陶瓷片、離子液體-鋰鹽改性層、正極極片；

所述復合功能層包括金屬單質和聚環氧乙烷；所述正極極片包括富鋰錳基正極材料以及包覆在所述富鋰錳基正極材料表面的固態電解質。