[发明专利]一种复合固态电解质材料、其制备方法及在锂离子电池的用途

说明书

本发明公开了一种复合固态电解质材料、其制备方法及在锂离子电池的用途，所述复合电解质材料包括依次堆叠的第一层、第二层和第三层，所述第一层为陶瓷基体层，第二层和第三层构成复合膜层，所述第二层为电解质导体包裹Al₂O₃颗粒形成的复合层，所述第三层为电解质导体层。所述方法包括：1)采用电解质粉制备陶瓷基体素坯；2)配制含有Al₂O₃的浆料，通过涂布工艺，涂覆到陶瓷素坯的表面，形成Al₂O₃层；3)配制含有锂盐的浆料，通过喷涂工艺，在Al₂O₃层的表面形成锂盐层；4)烧结，得到复合固态电解质材料。本发明制备的陶瓷基电解质能够获得更高的界面离子电导、良好的机械性能和较高的热稳定性。

技术领域

本发明涉及电池领域，涉及一种复合固态电解质材料、其制备方法及在锂离子电池的用途。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、循环使用寿命长、无记忆效应、自放电小、环境友好等优点，已被广泛应用于便携式电子产品和电动汽车中。目前，包括中国在内的多个国家已经制定了关于进一步提升动力电池能量密度到300～400瓦时/公斤的中长期的战略目标。

锂金属的容量为3860mAh/g，约为石墨的10倍，所以以金属锂为负极的锂金属电池已成为必然选择。但金属锂负极在液态电池中存在一系列技术问题至今仍缺乏有效的解决方法，比如金属锂与液态电解质界面副反应多、SEI膜分布不均匀且不稳定导致循环寿命差，金属锂的不均匀沉积和溶解导致锂枝晶和孔洞的不均匀，从而引发电池安全问题。

基于以上原因，很多研究者把解决金属锂负极的应用问题寄希望于固态电解质的使用。主要思路是避免液体电解质中持续发生的副反应，同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。

固态电解质NASICON结构的磷酸盐，其组分为Li_1+xA_xB_2-x(MO₄)₃，其中x的范围为0.05～0.7，A为Al、Ga、Sc、Y、Ca、Sr、Zn、Si，In，Lu，La，Fe，Cr中的一种或几种，B为Ti或Ge，M为P或Si；Perovskite(钙钛矿型)结构的钛酸盐电解质，其组分为Li_3xM_1/3-2xLa_2/3-xNO₃，其中x的范围为0.01～0.16，M为Ca、Sr、Zn，Mg，Al，Sc，Y，In，Cr其中的一种或几种，N为Ti或Ge其中的一种或两种，其中的一种或几种；Li_7+xGe_xP_3-xS₁₁(LGPS)其中x的范围为0.05～2；具有电化学窗口宽，良好的热稳定性和优异的离子电导率。

但是，该类型的电解质在使用锂金属作为负极也存在一些问题。比如Ti⁴⁺，Ge⁴⁺在实际工作过程中易被还原Ti³⁺，Ge³⁺，从而破坏电解质晶体结构，其次被氧化的过程其实也是内部电子通过的过程，造成电解质内部短路，而且电池在循环过程中会引起严重的锂枝晶问题，这些因素限制了全固态电池的发展。

因此，需要一种有效的方法降低以上不利的危害，提高电池的性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种复合固态电解质材料、其制备方法及在锂离子电池的用途。本发明的复合固态电解质材料中，陶瓷基体层表面具有特定结构的复合膜层，该复合膜层的一部分对锂离子起到传输作用，另一部分则对陶瓷基电解质起保护作用。与现有陶瓷基固体电解质相比，本发明制备的陶瓷基电解质能够获得更高的界面离子电导，同时，氧化铝保护层能够使得电解质具有良好的机械性能和较高的热稳定性。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：