[发明专利]一种具有高强度高电导负极偶联界面的全固态锂金属电池

说明书

本发明涉及一种具有高强度高电导负极偶联界面的全固态锂金属电池。一种全固态锂金属电池，包括正极、锂负极、固体电解质以及位于所述锂负极和固体电解质之间的修饰层Li_xSiO_y，其中0＜x≤4，0＜y≤4，所述修饰层以偶联液为原料通过第一高温气相反应形成在锂负极表面，并经第二高温界面偶联反应偶联至所述负极。

技术领域

本发明属于固态锂金属电池领域，具体涉及一种对固体电解质/金属锂界面进行偶联改性、提升强度并进一步制备负极材料、组装成全固态锂金属电池的方法。

背景技术

全固态锂金属电池因其高能量密度、高安全性而被认为是下一代电池的优良设计方案。首先，由于锂金属具有高理论容量(3860mAh/g)、低还原电位(-3.04V)以及较低的密度(0.53g/cm^-3)，由其制备的全固态锂金属电池也具有较高的能量密度(Y.C.Yin,et.al.Nature Communications 2020,11(1),1761.)；其次，由于全固态锂金属电池采用无机固体电解质替代传统电解液，避免了泄漏、蒸发以及燃烧的危险，使其具有较高的安全性。因此，全固态锂金属电池的商业化应用具有广阔的前景(S.Randau，et.al.NatureEnergy 2020，5(3),1-12.)。

除了上述提及的优点，全固态锂金属电池在具体商业化的过程中也存在一些难以避免的缺陷。首先，由于采用的是固体电解质替代传统电解液的方案，所以锂金属与固体电解质之间为固固接触的方式，如氧化物陶瓷电解质与锂金属之间的不润湿性(J.Y.Wen，et.al.ACS Nano 2019，13(12),14549-14556.)、接触性差成为负极界面急需解决的主要问题；其次，锂金属与固体电解质的界面副反应显著，由此造成界面不断恶化从而阻抗不断增加，最终造成电池性能衰减(M.Q.Wang,et.al.Advanced Science 2020,2000237.)。另外，尽管在电池组装完成后通过一些方法实现了紧密的接触，但是在电池的实际循环过程中，由于负极侧锂金属的不断沉积剥离造成锂金属的不断蠕变，其与固体电解质的固固界面在后期不断地发生机械破碎，进而会导致负极界面结构不可逆的破坏，锂枝晶不断生长，最终电池失效(E.Kazyak,et.al.Matter 2020.)。

目前，针对界面副反应的解决策略主要集中于固体电解质自身的掺杂改性、增加中间层等，比如：在硫化物电解质中掺杂一定含量的氧化物从而提升其对锂的稳定性(X.Wang,Physical Chemistry Chemical Physics Pccp 2016,18(31),21269)；或者利用原子层沉积(X.han,et.al.Nat Mater 2017,16(5),572-579.)、表面原位反应等在锂金属与固体电解质之间引入中间层，从而避免两者直接接触发生副反应(Z.h.Zhang,et.al.AcsApplied MaterialsInterfaces 2018,10(3),2556-2565.)。然而，由于锂金属蠕变而造成的负极界面机械破碎目前尚无较好的解决办法。虽然以上方法在一定程度改善了界面稳定性与相容性，但是整体制备工艺较为复杂且成本较高，不适宜大规模的工业化应用。到目前为止，已经实现的性能与实际的商业化应用的要求差距仍然较大。

发明内容

本发明旨在为提升固体电解质与锂金属负极界面稳定性与相容性提供一种新的解决方法，从而有效提升组装完成的固态锂金属电池的整体性能。

本发明提供了一种具有高强度高电导负极偶联界面的全固态锂金属电池，包括正极、锂负极、固体电解质以及位于所述锂负极和固体电解质之间的修饰层Li_xSiO_y，其中0＜x≤4，0＜y≤4，所述修饰层以偶联液为原料通过第一高温气相反应形成在锂负极表面，并经第二高温界面偶联反应偶联至所述负极。在锂金属表面通过高温气相反应原位引入修饰层能够有效隔绝金属锂与固体电解质的直接接触，避免了两者的副反应，并通过键合偶联作用最终形成具有双面偶联(修饰层分别与锂负极和固体电解质偶联)修饰层的高强度全固态锂金属电池。