[发明专利]固态锂离子电池用负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种固态锂离子电池用负极材料及其制备方法和应用，所述固态锂离子电池用负极材料包括液态金属和负极活性材料，所述液态金属包括Ga或/和Hg。本发明通过将液态金属Ga或/和Hg与负极活性材料结合制备固态锂离子电池用负极材料，缓解负极在充放电过程中的体积变化，优化电极与固态电解质的接触，采用所述固态锂离子电池用负极材料制备得到的固态锂离子电池具有较高的首次放电容量和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及固态锂离子电池用负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

固态锂离子电池是一种使用固态电解质替代传统液态电解质的锂离子电池，由于电解质中不含液态、易燃、易爆的有机溶剂，因此，与锂离子电池相比，其具有较强的安全性能，在电动汽车和大规模储能领域有着广阔的应用前景。一般的锂离子电池的负极采用石墨电极，石墨的理论比容量约为372mAh g^-1，为了提升固态锂离子电池的能量密度，则需要应用到高比容量的负极材料。

现有技术方案公开了一种带有硅负极的全固态电池，其负极中含有40wt至53wt％的硅粉，将硅粉和少量硫化物叠压于集流体上作为电池负极，制备得到全固态电池，与石墨负极全固态电池相比，具有较高的容量。另一现有技术方案将二氧化钛、氧化亚硅和氧化铁等无机颗粒作为复合薄膜包覆在金属锂片表面作为电池负极，并制备固态电池，可调控锂枝晶的沉积，提高电池的容量和循环性能。还有一现有技术方案将碳颗粒、碳纤维和氧化硅烯等材料复合，缓解了纯碳材料容量低、硅基材料体积变化大的问题，具有较高的比容量和首周库伦效率。

现有技术采用高容量负极材料，如硅基材料等来提升固态锂离子电池的比容量，但是这些材料在充放电过程中体积变化巨大，以硅负极为例，其转化为完全锂化产物Li₂₂Si₅后，体积膨胀约400％，这就导致其在去锂化过程中与固态电解质接触不良，界面电阻恶化；即使使用碳等材料进行掺杂和包覆，在循环过程中也易产生相的分离，而且制备方法复杂，制备过程中的高温烧结容易影响材料的形貌，从而降低容量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种固态锂离子电池用负极材料及其制备方法和应用。本发明通过将液态金属Ga或/和Hg与负极活性材料结合制备固态锂离子电池用负极材料，缓解负极在充放电过程中的体积变化，优化电极与固态电解质的接触，采用所述固态锂离子电池用负极材料制备得到的固态锂离子电池具有较高的首次放电容量和循环稳定性。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种固态锂离子电池用负极材料，所述固态锂离子电池用负极材料包括液态金属和负极活性材料，所述液态金属包括Ga或/和Hg。

本发明中的液态金属指在30℃下呈液态的金属。

本发明将液态金属Ga或/和Hg添加到固态锂离子电池负极中，制备固态锂离子电池。液态金属具有很好的导电性和稳定性，在与负极活性材料结合后还能缓解负极活性材料在充放电过程中的体积变化，防止负极材料结构坍塌，增强与固态电解质界面的稳定性，提高固态锂离子电池的首次放电容量和循环性能；同时，固态锂离子电池一般在高于室温的环境下工作，其他液态金属相比，Ga或/和Hg具有很好的流动性，能够与电极材料均匀的结合，提高材料的界面性能，且两者始终保持液态，与液态金属合金相比，不会产生分相，能够改善电极与固态电解质的界面接触，进一步提高固态锂离子电池的电化学性能。

本发明中当液态金属为Ga和Hg的混合物时，混合物中Ga和Hg可以以任意质量比混合。

优选地，所述液态金属和所述负极活性材料的质量比为(5至50):100，例如可以是5:100、8:100、10:100、15:100、20:100、25:100、30:100、35:100、40:100、45:100或50:100等，优选为(25至35):100，在优选范围内固态锂离子电池的电化学性能更好。