[发明专利]一种多层固态电解质及其制备方法和由其形成的锂电池

说明书

本发明涉及新能源材料技术领域的一种多层固态电解质及其制备方法和由其形成的锂电池。该多层固态电解质包括顺次设置的均具有1×10^‑6S/cm以上离子电导率的锂离子均匀沉积层、锂枝晶抑制层和支撑层。锂离子均匀沉积层可以很好地保护锂金属的表面，诱导Li⁺的均匀分布；锂枝晶抑制层为电解质整体提供机械支撑，同时阻止锂枝晶刺穿隔膜，抑制锂枝晶的生长；支撑层一方面解决锂离子均匀沉积层和锂枝晶抑制层没有自支撑特点、机械强度不够高，无法完全阻止锂枝晶刺穿的问题，另一方面有利于降低界面阻抗。本发明的多层固态电解质具有高电导率、高机械强度、低电解质/正极界面阻抗和耐高温的优点，且能同时实现对锂金属保护以及对锂枝晶的抑制。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种多层固态电解质及其制备方法和由其形成的锂电池。

背景技术

锂系电池分为锂金属电池和锂离子电池。目前商品化的锂离子电池比能量已经接近理论容量，很难继续提高，因而需要开发更高比能量的电池。金属锂是已知金属中原子量最小(6.94)、负极电化学势最低(-3.04V相对于标准氢电极)的金属，因而当其与适当的正极材料构成电池时具有最高的电池电压。同时锂金属具有较高的比容量(3860mAh g^-1)以及较低的质量密度(0.534g/cm³)，故金属锂作为锂系电池负极材料有着广阔的应用前景，被视为圣杯电极。锂金属电池(LMBs)，包括锂硫(Li-S)电池、锂氧(Li-O₂)电池、锂金属负极/插层式正极电池等，其理论能量密度(Li-O₂,3505Wh kg^-1；Li-S,2600Wh kg^-1)，相比于当前的锂离子电池有了很大的提升。人们认为锂金属电池是超越锂离子电池的下一代电池。

锂金属电池一般是作为一次电池，即不可充电电池。尽管20世纪70年代已开始锂二次电池的研究，但是以锂金属为负极材料的二次电池尚未商业化。这主要是由于金属锂沉积时极易形成锂枝晶，使得锂金属电池在反复的充电/放电过程中锂枝晶生长，当锂枝晶生长到能够刺穿电解质隔膜时，容易发生电池内部短路，造成安全隐患。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中金属锂电池极易生长锂枝晶的技术问题，从而提供一种多层固态电解质及其制备方法和由其形成的锂电池。

本发明提供一种多层固态电解质，包括顺次设置的均具有1×10^-6S/cm以上离子电导率的锂离子均匀沉积层、锂枝晶抑制层和支撑层。

所述锂枝晶抑制层具有20GPa以上的杨氏模量。

所述锂离子均匀沉积层为Li₃N和/或LiF层。

所述锂枝晶抑制层为LLZO、LLTO和LLZTO中的一种或几种形成的无机固态电解质层。

所述支撑层为聚合物电解质层，所述聚合物电解质包括聚氧化乙烯基(PEO)聚合物电解质、聚丙烯腈基(PAN)聚合物电解质、聚偏二氟乙烯基(PVDF)聚合物电解质、聚甲基丙烯酸甲酯基(PMMA)聚合物电解质和聚氯乙烯基(PVC)聚合物电解质中的至少一种；

优选地，所述聚合物电解质为聚氧化乙烯基(PEO)聚合物电解质。

所述的多层固态电解质，还包括锂离子快速通道层，其为LiPON和/或LiSiPON层，所述锂离子快速通道层具有1×10^-6S/cm以上离子电导率，厚度为5-20μm。

所述锂离子均匀沉积层的厚度为20-50nm；所述锂枝晶抑制层的厚度为20-50μm；所述支撑层的厚度为50-100μm。

本发明提供所述的多层固态电解质的制备方法，包括制备支撑层，并在其上依次沉积锂枝晶抑制层和锂离子均匀沉积层的步骤。