[发明专利]三维网墙状全固态锂离子电池负极、制备方法及电池

说明书

本发明公开了一种类蜂窝三维网墙状全固态薄膜锂离子电池负极、制备方法及全固态薄膜锂离子电池，其中，全固态薄膜锂离子电池负极为由竖直的墙状Sb₂S₃纳米片相连成网构成、整体呈类蜂窝状的薄膜，其中，每片Sb₂S₃纳米墙的厚度为10nm～100nm，长度0.5um～3um。本发明的技术方案中，具有类蜂窝三维网墙状结构的Sb₂S₃性能优良、容量高及在循环过程中容量保持率高，且真空热蒸发法的制备方法要求设备简单，工艺易实现，可连续镀膜，可产业化应用。

技术领域

本发明涉及一种类蜂窝三维网墙状全固态薄膜锂离子电池负极、制备方法及全固态薄膜锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

作为下一代锂电池的重点发展方向之一，全固态锂电池具有安全、能量及功率高等优点，越来越受到学界和产业界的亲睐。根据电解质性质不同可分为聚合物固态锂电池、无机固态锂电池以及复合固态锂电池。这类电池将主要应用在大规模储能、动力汽车、飞机、航天、军工等领域，同时，薄膜化的全固态锂电池也是近年来研究的热点之一。全固态薄膜锂(离子)电池按照负极可以分为全固态薄膜锂电池(金属锂为负极)、全固态薄膜锂离子电池(其它非锂负极)和全固态薄膜无锂电池(在充放电过程中形成锂薄膜)，由于金属锂的熔点较低，所以限制了全固态薄膜锂电池的应用范围，无锂电池在充放电过程中体积变化较大，对电池性能有一定影响。因此，采用理论比容量高、热和化学稳定性强、材料廉价易得的其它物质作为负极的全固态薄膜锂离子电池有望满足未来的发展需要。

过渡金属硫化物作为负极薄膜具有许多优点，其理论比容量高(一般是碳负极材料一倍或数倍)，热和化学稳定性强，材料相对廉价易得，是全固态薄膜锂离子电池理想的负极材料。其中硫化锑作为负极时表现出较高的理论比容量(946mAh/g)，高的温度稳定性(熔点550℃)，自然界多以硫化矿存在，适合就地取材，大规模产业化。但是硫化锑又具有锑基材料的“通病”，即在脱嵌锂过程中伴随有较大的体积效应，致使材料在循环过程中结构崩塌，从集流体脱落，从而失去电化学活性。将Sb₂S₃材料纳米化或者制备出三维形貌微观结构是解决其商业化应用瓶颈的有效方法。已有文献报道通过水热法、微波照射法、高能球磨法、共沉淀法等，制备出具有棒状纳米结构、花束状微观结构、微米条状结构等的Sb₂S₃负极用于传统锂离子电池。专利申请号为201410616579.4，名称为“一种球层状硫化锑薄膜制备方法”，通过液相沉积法制备出了具有层球状的Sb₂S₃薄膜应用于太阳光电子器件领域。专利申请号为201710569803.2，名称为“基于三硫化二锑致密薄膜的平面结构杂化太阳电池”，在惰性气氛下，将配好Sb₂S₃前驱体溶液旋涂在电子传输层，然后在加热台上加热使溶液发生反应生成Sb₂S₃，重复旋涂与加热调节厚度，再升温退火处理使Sb₂S₃结晶。上述方法制备薄膜沉积率低，设备要求较高，工艺较为复杂，不适合产业化应用。虽然有所涉及三维形貌，但与全固态薄膜锂离子电池无关，也与解决体积效应无关。已有论文报道采用真空热蒸发法制备Sb₂S₃应用于太阳电池，但是制备出的Sb₂S₃多为非晶的无定形态，无纳米及三维形貌，不具备推广价值。

发明内容

本发明的目的是解决现有全固态锂离子电池负极薄膜的不足，提供一种具有类蜂窝三维网墙状结构、容量高、循环性能良好的Sb₂S₃负极以及包括该负极的全固态锂离子电池。

本发明的目的还在于提供制备这种3D结构的Sb₂S₃负极的方法，该方法制备的负极产率高，成本低，产品可控，适合大规模产业化。