[发明专利]一种提高全固态电池锂负极稳定性的改性方法

说明书

本发明涉及一种提高全固态电池锂负极稳定性的改性方法。该方法的实质是由导电层在金属锂负极表面构建的稳定界面层。该界面层有以下作用：（1）有效隔离固体电解质与金属锂负极，防止固体电解质被金属锂还原；（2）导电层可以传输电子，有效提高电子传输速率；（3）实现锂离子的均匀分布，抑制锂枝晶的生成。因此受到该界面层保护的锂金属极片用于全固态电池中可以有效地提高电池的库伦效率和循环寿命。

技术领域

本发明属于锂电池材料领域，具体涉及一种全固态电池锂负极的改性方法及工艺。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日益突显，电动汽车产业进入了飞速发展的新阶段。锂离子电池是当前电动车的主要动力电源。然而，锂离子电池固有的局限性，如比能量低、安全隐患等问题使得这类电池不能满足日益增长的续航里程和安全性的要求。为此，我国政府指出，要协同开展新体系动力电池产品的研发创新，积极推动固态电池新体系电池的研究和工程化。

就目前电池的发展情况来看，以金属锂为负极的电池体系是下一代高能量密度电池的首选。然而无论是在有机电解液中，还是在固体电解质中，都容易产生金属锂不均匀沉积而形成锂枝晶的问题，这严重限制了采用金属锂负极的离子二次电池的发展和实际应用。金属锂电极的表面SEI膜是影响锂电池循环性能和循环寿命的主要因素，因此改善金属锂电极SEI膜的性能是提高金属锂二次电池电化学性能的关键。但是通过在锂负极表面生成或者覆盖一层稳定的SEI膜来抑制枝晶的生长遇到了极大地困难。于是，人们逐渐把研究的重点放在了固体电解质上，即通过具有一定柔韧性和机械强度的固体材料来避免锂枝晶刺破隔膜造成电池短路，进而提高金属锂二次电池的安全性和循环寿命。然而，研究者们发现金属锂与大部分的固态电解质很难形成稳定的界面。对于硫化物固体电解质为基体的固态电池，一般采用还原性的固体电解质材料，如LiBH₄、70Li₂S-29P₂S₅-P₂O₅、75Li₂S-24P₂S₅-P₂O₅以及Li₇P₃S₁₁等作为钝化层，以提高“金属锂/固态电解质”界面的稳定性。这些用作界面层的固体电解质的离子电导率较低，一般仅为10⁻⁸~10⁻⁵ S cm^-1；而且中间层过厚，将降低锂离子的传输速率。如何实现锂负极与固体电解质的紧密接触，也是需要解决的问题。因此，设计和制备尺寸稳定的锂负极，对于固态锂电池显得尤为重要。

改善基于全固态电池金属锂负极的相关文献及专利主要涉及到：采用合金负极、使用钝化层、以及锂金属表面改性等。例如：专利CN201510005152采用原位处理的方法改性金属锂负极，在金属锂表面形成一层二氧化硅保护膜，方法简单容易操作，但是形成的保护膜脆且易碎，无法解决锂负极的问题。中科院化学所郭研究员课题组研发了一种纳米胶囊结构，以碳纳米管为核心，多孔硅材料为核鞘来容纳金属锂的沉积，虽然这种方法有效抑制了锂枝晶的生长，但是该制备方法复杂，成本较高，很难做到批量化生产。

本发明提供了一种提高全固态电池锂负极稳定性的改性方法，以改善金属锂与固体电解质之间的界面不稳定问题。该方法是在固体电解质与锂负极之间引入界面层，界面层是由一种或者多种导电材料组成。本发明同时还提供了该界面层的制备方法。首先将界面层材料配成粘度为1000~5000厘泊的溶液，采用涂覆的方式在金属锂负极表面形成一层。然后加热烘干，温度范围为20~60℃。最后采用机械压制的方式将界面层紧紧压制在锂金属负极上，压力为10~30Pa。本发明采用涂覆的方法在金属锂负极表面形成界面层，一方面阻止金属锂与固体电解质之间的化学反应，另一方面能抑制锂枝晶的生成，从而提高电池的循环寿命。

发明内容

本发明的目的是为了解决金属锂与固体电解质发生副反应，以及形成锂枝晶造成循环性能和库伦效率差的问题，本发明提供一种提高全固态电池锂负极稳定性的改性方法。