[发明专利]一种固态电池

说明书

本发明公开了一种固态电池。固态电池由正极、有机‑无机复合固体电解质隔膜和负极构成。所述有机‑无机复合固体电解质隔膜与正极具有良好的化学和电化学稳定性；与负极不仅具有较小的界面阻抗，而且能够抑制锂枝晶的生长。本发明制备的固态电池不仅界面阻抗小，而且界面副反应可控，能够匹配多种正、负极，无锂枝晶生长现象，从而使得固态电池具有高比能量和长循环寿命。并且本发明设计的固态电池的制备工艺与现有的锂离子电池的制备工艺相匹配，符合大规模生产的需求。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种固态电池及其制备。

背景技术

锂离子电池因能量密度高、能量转换效率高等优点已被广泛应用于便携式电子设备、电动车及电网储能等领域。但是，现有采用石墨负极的锂离子电池的能量密度已无法满足快速发展的电动车及便携式电子设备的要求。锂具有6.941g·mol^-1的摩尔质量、-3.04Vvs.SHE的电极电势，理论比容量3860mAh·g^-1，是石墨的10倍。以金属锂为负极，可以提高电池的比能量。但是，锂在有机电解液中不可避免地进行不均匀沉积并形成锂枝晶，刺穿隔膜造成电池短路，导致安全事故。再者，产生的锂枝晶易断裂，与负极失去电接触而成为死锂。另外，锂非常活泼，几乎可以与所有的电解液发生反应生成固体电解质界面(SEI)膜。但是，由于锂的溶解沉积反应，导致SEI膜在循环过程中不断地形成和破碎，锂被不断地消耗，造成电池循环稳定性较差。基于以上原因，采用金属锂为负极的二次电池至今尚未商业化。此外，有机电解液的熔、沸点较低，具有挥发性和可燃性，在滥用情况下，如过充、过放、外力针刺电池，会导致燃烧、爆炸等安全事故。以固体电解质替代有机电解液，能够从根本上解决有机电解液熔点低、沸点低、易泄露等带来的安全隐患。另外，理论上固体电解质能够抑制锂枝晶的生长。因此，构建固态锂电池是提高锂电池电化学性能和安全性的一种有效途径。但是从目前的研究现状来看，固态锂电池的比能量、倍率性能和循环稳定性都有待提高。

固态电池比能量的影响因素主要有以下几点：电池电压；正、负极中活性物质的百分含量；单位面积正、负极中活性物质的质量；正、负极中活性物质的实际比容量和单位面积固体电解质隔膜的质量。因此，主要通过以下几个措施来提高固态电池比能量：采用高电压的正极材料和低电压的负极材料；提高正、负极中活性物质的百分含量；提高单位面积正、负极中活性物质的质量和正、负极中活性物质的实际比容量；降低单位面积固体电解质隔膜的质量。固体电解质按照组成可分为无机固体电解质和聚合物固体电解质。无机固体电解质的密度通常为2～5g·cm^-3，且质脆，不易加工成薄层的固体电解质膜。而聚合物固体电解质密度通常约为2g·cm^-3，性质柔韧，易于制备大面积薄膜。因此，聚合物电解质固态锂电池在比能量方面更具优势。但是，目前广泛研究的聚合物固体电解质多为双离子导体，电解质内部不仅锂离子可以迁移，锂盐中的阴离子同时发生迁移，如聚合物(PEO、PVDF、PAN、PPC等)络合锂盐(LiClO₄、LiTFSI、LiFSI、LiBOB等)固体电解质，锂离子迁移数仅为0.2～0.5(Jan D.Miller,et al.,ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,8954-8960；WeifengWei,et al.,Adv.Sci.2018,5,1700996；H.Ben youcef et al.,ElectrochimicaActa 220(2016)587–594；H.Zhang et al.,ElectrochimicaActa 133(2014)529–538；J.Zhang etal.,J.Membr.Sci.509(2016)138–148)。这种情况下，电解质内部产生锂离子的浓度极化，从而产生锂枝晶，影响了电池的循环寿命。因此，研究和制备具有单离子传导特性的聚合物固体电解质，将其与无机固体电解质复合研制具有单离子传导特性和宽电化学窗口的有机-无机复合固体电解质以匹配锂金属负极和高电压、高比容量正极材料具有重要意义。

目前，尚无采用单离子导体聚合物-无机复合固体电解质构建的固态电池的相关工作报道。

发明内容