[发明专利]一种具有梯度结构的全固态锂电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有梯度结构的全固态锂电池及其制备方法，属于固体电池领域。

背景技术

在能源危机与环境保护的双重趋势的背景下，发展新能源汽车，如电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)和插电式混合电动车(PHEV)，已成为迫切需求。而电池作为新能源汽车的储能装置，已成为新能源汽车的核心关键技术之一。

相比于液态电解质电池，全固态电池在提高电池能量密度、拓宽工作温度区间、延长使用寿命方面也有较大的发展空间。进入21世纪以来，多元化已成为二次电池领域的重要发展方向，在拓宽电池应用领域的同时，人们也越来越重视对电池进行个性化设计，以改善电池的性能和温度适应性。

不同于液态电池，全固态电池的电解质与电极相容性差，电池的大倍率放电性能差。电解质对电极的浸润性是电化学反应活性位点处，是电子与离子“相会”通道畅通的重要保障，而电极界面处的低阻抗是决定电池性能的关键。对于固/液电极界面来讲，不存在多大问题，但对于固/ 固界面，由于固体电解质没有液体电解液的浸润性，以固体电解质制成的固体电池，其界面阻抗一般也比本体阻抗大一个数量级以上。因此，从电池的结构设计上充分考虑电极与电解质的接触变得极为重要。

另一方面，若电池电极层在三维上由均匀的电解质和电极材料组成，那么在电池放电过程中，正电极活性材料层中的电解质中的锂离子快速被吸入电极活性材料颗粒中，电极活性材料层中电解质的锂离子浓度的降低通过锂离子从电解质层中扩散来补充。同时，集电极的电子借助导电材料来传导，从而促进电极反应。而锂离子从电解质层扩散到电极材料层的速度相对于电子的传导是缓慢的。在高速充放电下，正电极材料层的锂离子趋于耗尽，随着向集电极的方向，这种趋势增加。锂离子的扩散赶不上电极反应的速率，导致出现较大的过电压，电池无法提供理论的充放电容量，电池的快速充放电性能下降。

发明内容

针对现有技术中电池电极层主要是电解质和电极材料浓度均匀分布，存在在大电流速率下充电或放电过程中Li离子易耗尽，导致充电或放电容量的电池性能降低的缺陷，而具有这种电极层的全固态锂电池，电极与电解质的接触容易变差，界面阻抗很大，电池无法大倍率充放电，本发明的目的是在于提供一种在大倍率充放电稳定，大电流速率下能正常工作的具有梯度结构的全固态锂电池。

本发明的另一个目的是在于提供一种过程简单，低成本制备所述具有梯度结构的全固态锂电池的方法。

本发明提供了一种具有梯度结构的全固态锂电池，该全固态锂电池，由具有梯度结构层的正极、固体电解质层、和金属负极或者具有梯度结构层的负极组成；所述的梯度结构层为组分浓度呈梯度连续变化的电极层、组分粒度呈梯度连续变化的电极层或组分分子量呈梯度连续变化的电极层。

所述的梯度是指数值的大小呈连续变化，可以是数值由小到大或者由大到小的连续变化。

所述的组分浓度呈梯度连续变化的电极层优选为电极材料在电极层中的质量百分比浓度形成从集电极到电解质层方向逐步降低的电极层。

所述的组分粒度呈梯度连续变化的电极层优选为电极活性材料的粒度在电极层中形成从集电极到电解质层方向逐步增大的电极层。

所述的组分分子量呈梯度连续变化的电极层优选为高分子电解质的分子量在电极层中形成从集电极到电解质层方向逐步增大的电极层。

所述的组分浓度呈梯度连续变化的电极层至少包含两个不同浓度组分的膜层；优选为至少包含三个不同浓度组分的膜层；最优选为至少包含五个不同浓度组分的膜层。

所述的组分粒度呈梯度连续变化的电极层至少包含两个不同粒度组分的膜层；优选为至少包含三个不同粒度组分的膜层；最优选为至少包含五个不同粒度组分的膜层。

所述的组分分子量呈梯度连续变化的电极层至少包含两个不同分子量组分的膜层；优选为至少包含三个不同分子量组分的膜层；最优选为至少包含五个不同分子量组分的膜层。

所述的膜层的厚度为1～100μm。

所述的电解质层厚度为1～30μm。