[发明专利]一种全固态电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种全固态电池及其制备方法。所述全固态电池包括正极、固态电解质膜和负极；正极包括卤化物固态电解质和/或共混型固态电解质；固态电解质膜包括至少一层固态电解质层，共混型固态电解质的化学式为xLiM‑GaF₃，1≤x≤4，M包括Cl、Br、O或OH中的任意一种或至少两种的组合。本发明通过采用不同类型和功能的固体电解质材料组成的固态电解质膜，提升了全固态电池的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明属于固态电池技术领域，涉及一种全固态电池及其制备方法。

背景技术

现在各类新型电池体系中，固态电池是距离产业化最近的下一代技术，这已成为产业与科学界的共识。不可燃的固态电解质替换可燃性的有机液态电解质，不仅大幅提升了电池系统安全性，同时能够更好地适配高能量正负极，实现能量密度同步提升。

然而固态电池技术还存在以下三方面的技术短板：①当前固态电解质体相离子电导率远低于液态电解质的水平，往往相差多个数量级。按照材料的选择，固态电解质可以分为聚合物、氧化物、硫化物、卤化物、共混型五种体系，而无论哪一种类别，均无法回避离子传导的问题。低的离子电导率意味着电解质差的导锂能力，使锂离子不能顺利在电池正负极之间运动。聚合物体系的室温电导率约10^-7-10^-5S/cm，氧化物体系室温下电导率为10^-6-10^-3S/cm，目前，硫化物、卤化物和共混型三类电解质体系表现出较高的电导率，室温约10^-3-10^-2S/cm。②固态电解质具有高界面阻抗。在电极与电解质界面上，传统液态电解质与正、负极的接触方式为液/固接触，界面润湿性良好，界面之间不会产生大的阻抗，相比较之下，固态电解质与正负极之间以固/固界面的方式接触，接触面积小，与极片的接触紧密性较差，界面阻抗较高，锂离子在界面之间的传输受阻。③低离子电导率与高界面阻抗导致了固态电池的高内阻，锂离子在电池内部传输效率低，在高倍率大电流下的运动能力更差，直接影响电池的能量密度与功率密度。

目前固态锂电池通常采用无机氧化物电解质或聚合物电解质与液态电解质相互混合的方式进行界面改善和制备，但由于本身无机氧化物类电解质和聚合物电解质本身的离子电导率比较低，因此需要加入比较多的液态电解质才能改善整个电池的内阻和电导率，较多液态电解质的加入不利于固态锂电池整体安全性的提高。理论上，不含任何电解液成分的全固态锂电池具有最高的安全性，但全固态体系由于全部都是无机颗粒形成的颗粒之间的固固接触会导致整体存在比较大的界面问题，需要外加非常大的压力，直接影响电池使用工况和电池倍率和循环性能。

CN108695547A公开了一种有机-无机复合电解质膜的制备，通过在有机聚合物电解质中添加无机固态电解质作为固体填料，提高复合电解质膜的机械性能和离子电导率。但是由于这种有机-无机复合电解膜厚度需要较厚，过薄易出现复合电解质薄膜机械强度差被锂枝晶刺穿导致电池短路。

CN107887639A公开了一种复合固态电解质和固态电池，该复合固态电解质包括阴离子型离子液体聚合物和无机固态电解质。该文献中的金属锂电极和固态电解质直接接触，这种属于固固接触，界面阻抗较大。在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出嵌入负极金属锂，固态电解质表面物质会被消耗形成固态电解质界面层，甚至在负极上产生锂沉积。进而导致该类复合电解质化学稳定性较差，0.2C循环100次保持率约为88％，难以为电池提供长效循环性能。

因此如何改善界面同时保持高的电化学性能，是全固态电池中亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全固态电池及其制备方法。本发明通过采用不同类型和功能的固体电解质材料组成的固态电解质膜作为抗氧化型、锂离子传导和界面修饰材料，搭配特定的正极，达到了改善电池界面接触，提升离子迁移能力的目的，提升了全固态电池的循环性能和倍率性能。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：