CN114188612A - 一种全固态电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全固态电池及其制备方法，电池包括正极、负极、固态电解质和界面层，所述界面层由原位方法获得。所述制备方法为首先利用压片法得到无机固态电解质片，然后将无机固态电解质片和两电极冷压叠片组装成三明治结构，并将组装好电池整体浸泡到界面层前驱体溶液中，原位形成薄的界面层。这种原位制备界面层的方法可以保证电池体系整体不分离，使得电解质与极片表面充分融合，提高极片与电解质的界面相容性，形成连续的离子传导通道，避免锂负极和固态电解质的直接接触，改善固态电池的电化学性能，保证了电池的长时间循环。

Description

一种全固态电池及其制备方法
技术领域
本发明属于全固态电池新能源技术领域，具体涉及一种全固态电池及其制备方法。
背景技术
随着新科技的发展，锂离子电池已经在通信、动力、数码产品领域得到了广泛的应用，安全性高且能量密度高的二次电池是未来的发展方向，而传统的锂离子电池由于液态电解液的存在，会导致电池存在一定的安全问题。固态电解质(SE)具有热稳定性、不易燃、无泄漏和无挥发等优点，固态电池大大降低了溶剂的含量，且其有更高的热失控起始温度，大大提高了电池使用过程中的稳定性和安全性。
固态电解质是国内各科研院所、企业研究的主要材料，其主要包括无机固态电解质和聚合物电解质。聚合物固态电解质具有柔性好、易加工等优良性能但电导率低、运行温度高和电化学窗口低等缺点使得聚合物电解质在固态锂电池中的应用受到限制。固态电池由于采用固态电解质，这就存在界面电阻大、界面相容性差的问题，且固态电池在循环过程中，固态电解质可能与锂负极发生氧化还原反应，会生成高阻抗的界面相积累在负极和固态电解质之间，影响锂离子传输。这些问题严重影响固态电池的倍率性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种全固态电池及其制备方法，解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种全固态电池的制备方法，包括如下步骤：
1)制备界面层前驱体溶液：
将锂盐、界面层前驱体和溶剂混合均匀，得到界面层前驱体溶液；所述界面层前驱体为聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯或聚碳酸丁烯酯；
2)制备三明治结构：
压片法得到片状的厚度为50μm-3mm无机固态电解质，将其和正极、负极冷压叠片形成三明治结构；
3)组装：
将步骤2)制备的三明治结构浸泡于步骤1)的界面层前驱体溶液中，浸泡时间为0.1h-2h，原位烘干溶剂并在三明治结构各层间形成连续的界面层，制备得到所述全固态电池。
在本发明一较佳实施例中，所述溶剂为乙腈、N,N-二甲基甲酰胺或四氢呋喃。
在本发明一较佳实施例中，所述锂盐为LiClO4、LiTFSI、LiBOB、LiFSI或LiDFOB。
在本发明一较佳实施例中，所述界面层前驱体含量为20-95wt％。
在本发明一较佳实施例中，所述界面层前驱体溶液中锂盐的浓度为5-95mol％。
在本发明一较佳实施例中，所述无机固态电解质为LGPS型无机固态电解质、石榴石型无机固态电解质、钙钛矿型无机固态电解质、LISICON型无机固态电解质、硫银锗矿型无机固态电解质或反钙钛矿型无机固态电解质中的至少一种。
在本发明一较佳实施例中，所述无机固态电解质为Li10GeP2S12。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了上述方法制备的一种全固态电池，包括正极、无机固态电解质、负极组成的三明治结构，且三明治结构的层间界面设有界面层。
在本发明一较佳实施例中，所述界面层为具有粘性的凝胶聚合物；所述界面层厚度为0.1-200μm。
在本发明一较佳实施例中，所述界面层还包覆于三明治结构的电池外周。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明将组装好的固态电池浸泡到界面层前驱体中原位形成聚合物界面层，保证电池体系整体不分离，既避免锂负极和固态电解质的直接接触，又使得电解质与极片表面充分融合，改善极片与固态电解质间的界面相容性，形成连续的离子传导通道，避免锂负极和固态电解质的直接接触，改善固态电池的电化学性能，提高固态电池的循环寿命和电化学性能；
2.本发明界面层为原位形成的聚合物，呈现凝胶状态，具有较好的粘性，可以提高固态电解质和电极之间的接触，有效降低阻抗。
附图说明
图1为实施例1锂对称电池的结构示意图；图中：1-金属锂负极，2-界面层，3-无机固态电解质片，4-锂金属正极。
图2为包含实施案例1制备的界面层的全固态锂对称电池在0.2mA/cm2电流密度下的充放电曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将通过实施例对本发明的内容进行更详细地描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
实施例1
(1)制备界面层前驱体溶液：在充满氩气的手套箱中，将1g聚碳酸乙烯酯(PEC)和锂盐LiTFSI(摩尔分数60mol％)溶于4mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的界面层前驱体溶液；
(2)组装电池，将150mg Li10GeP2S12压成片状的陶瓷片作为电解质片，电解质片和两电极组装好后浸泡到上述界面层前驱体溶液中，在手套箱中85℃下烘干溶剂原位形成界面层。
本实施例制备的全固态锂对称电池，包括正极4、无机固态电解质3、负极1组成的三明治结构，且三明治结构的层间界面设有界面层2，所述界面层2为连续的凝胶状聚碳酸乙烯酯聚合物。且采用浸泡的方式使界面层2还包覆于三明治结构的外周，与设置于各层间的界面层2连接，实现了对锂金属具有良好的电化学稳定性以及较好的抑制锂枝晶生长的能力。
实施例2
(1)制备界面层前驱体溶液：在充满氩气的手套箱中，将1g聚碳酸乙烯酯(PEC)和锂盐LiTFSI(摩尔分数80mol％)溶于4mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的界面层前驱体溶液；
(2)组装电池，将150mg Li10GeP2S12压成片状的陶瓷片作为电解质片，电解质片和两电极组装好后浸泡到上述界面层前驱体溶液中，在手套箱中85℃下烘干溶剂原位形成界面层。
实施例3
(1)制备界面层前驱体溶液：在充满氩气的手套箱中，将1g聚碳酸乙烯酯(PEC)和锂盐LiTFSI(摩尔分数100mol％)溶于4mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的界面层前驱体溶液；
(2)组装电池，将150mg Li10GeP2S12压成片状的陶瓷片作为电解质片，电解质片和两电极组装好后浸泡到上述界面层前驱体溶液中，在手套箱中85℃下烘干溶剂原位形成界面层。
实施例4
(1)制备界面层前驱体溶液：在充满氩气的手套箱中，将1g聚碳酸丙烯酯(PPC)和锂盐LiTFSI(摩尔分数60mol％)溶于4mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的界面层前驱体溶液；
(2)组装电池，将150mg Li10GeP2S12压成片状的陶瓷片作为电解质片，电解质片和两电极组装好后浸泡到上述界面层前驱体溶液中，在手套箱中85℃下烘干溶剂原位形成界面层。
实施例5
(1)制备界面层前驱体溶液：在充满氩气的手套箱中，将1g聚碳酸乙烯酯(PPC)和锂盐LiTFSI(摩尔分数80mol％)溶于4mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的界面层前驱体溶液；
(2)组装电池，将150mg Li10GeP2S12压成片状的陶瓷片作为电解质片，电解质片和两电极组装好后浸泡到上述界面层前驱体溶液中，在手套箱中85℃下烘干溶剂原位形成界面层。
实施例6
(1)制备界面层前驱体溶液：在充满氩气的手套箱中，将1g聚碳酸乙烯酯(PPC)和锂盐LiTFSI(摩尔分数100mol％)溶于4mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的界面层前驱体溶液；
(2)组装电池，将150mg Li10GeP2S12压成片状的陶瓷片作为电解质片，电解质片和两电极组装好后浸泡到上述界面层前驱体溶液中，在手套箱中85℃下烘干溶剂原位形成界面层。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种全固态电池的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)制备界面层前驱体溶液：
将锂盐、界面层前驱体和溶剂混合均匀，得到界面层前驱体溶液；所述界面层前驱体为聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯或聚碳酸丁烯酯；
2)制备三明治结构：
压片法得到片状的厚度为50μm-3mm无机固态电解质，将其和正极、负极冷压叠片形成三明治结构；
3)组装：
将步骤2)制备的三明治结构浸泡于步骤1)的界面层前驱体溶液中，浸泡时间为0.1h-2h，原位烘干溶剂并在三明治结构各层间形成连续的界面层，制备得到所述全固态电池。
2.根据权利要求1所述的一种全固态电池的制备方法，其特征在于：所述溶剂为乙腈、N,N-二甲基甲酰胺或四氢呋喃。
3.根据权利要求1所述的一种全固态电池的制备方法，其特征在于：所述锂盐为LiClO4、LiTFSI、LiBOB、LiFSI或LiDFOB。
4.根据权利要求1所述的一种全固态电池的制备方法，其特征在于：所述界面层前驱体含量为20-95wt％。
5.根据权利要求1所述的一种全固态电池的制备方法，其特征在于：所述界面层前驱体溶液中锂盐的浓度为5-95mol％。
6.根据权利要求1所述的一种全固态电池的制备方法，其特征在于：所述无机固态电解质为LGPS型无机固态电解质、石榴石型无机固态电解质、钙钛矿型无机固态电解质、LISICON型无机固态电解质、硫银锗矿型无机固态电解质或反钙钛矿型无机固态电解质中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种全固态电池的制备方法，其特征在于：所述无机固态电解质为Li10GeP2S12。
8.根据权利要求1～7任一项所述方法制备的一种全固态电池，其特征在于：包括正极、无机固态电解质、负极组成的三明治结构，且三明治结构的层间界面设有界面层。
9.根据权利要求8所述的一种全固态电池，其特征在于：所述界面层为具有粘性的凝胶聚合物；所述界面层厚度为0.1-200μm。
10.根据权利要求8所述的一种全固态电池，其特征在于：所述界面层还包覆于三明治结构的电池外周。
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