[发明专利]一种双载流子传导的全固态电池电极材料及其制备方法

说明书

本发明属于储能电池技术领域，具体为一种双载流子传导的全固态电池电极材料及其制备方法。本发明的全固态电池电极材料，由电极活性材料与二维材料过渡金属碳化物/氮化物MXene（如Ti₃C₂T_x、Nb₃C₂T_x、V₂CT_x等）组合，采用高能球磨法制备得到；将这种复合材料直接应用于全固态电池电极，无其他导电碳、电解质的引入。其中，二维材料作为多功能离子/电子导体，替代传统复合固态电池电极中的导电碳、电解质，以避免电极内部的界面问题；并且二维材料可以缓解电极材料的体积效应。本发明制备方法工艺简单、操作方便；制备产物能量密度高、电化学性能优异，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于储能电池技术领域，具体涉及一种全固态电池电极材料及其制备方法。

背景技术

全固态锂离子电池作为一种新型电池体系，近年来得到了越来越广泛的关注。传统锂离子电池往往使用酯类或醚类等有机溶剂和一些锂盐溶质作为电解液，这些组成成分一般是易燃的。若电池发生短路或刺穿等现象，在电池内部会发生热失控，引起电解液的泄漏、燃烧甚至爆炸，有很大的安全隐患。一些新能源汽车的自燃现象近年来也时有发生。因此改善锂离子电池的安全性是具有一定现实意义的。而全固态锂离子电池利用不易燃的固态电解质替代传统有机液态电解质，从根本上解决了安全性的问题，因而也逐渐成为目前的一个研究热点（Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 16103）。除了更好的安全性，相比于传统液态锂离子电池，全固态电池另一个特点是其可以实现更高的能量密度。相比于液态锂离子电池，全固态电池可以实现更高的能量密度。一方面，可以使用金属锂直接作为全固态电池的负极材料，金属锂负极材料可以明显提升电池的能量密度。另一方面，全固态电池的物理结构相对于传统锂离子电池也更加简单，可以使用双极封装的策略降低电池组的尺寸，提高电池组整体的能量密度（Energy Environ. Sci.2021, 14, 12−36）。

然而，全固态电池也存在着很多的挑战，其中最大的挑战是全固态电池中复杂的界面问题。传统的全固态电池复合电极材料一般由活性材料、导电碳和固态电解质组成，从而实现Li⁺和电子的传输。然而，这种复合电极设计方法带来了严重的“界面问题”，包括固体电解质与活性材料之间产生副反应、形成钝化层SEI，导致界面电导率降低、以及充放电过程中由于体积效应导致的颗粒之间失去电接触。此外这种复合电极中，离子电子传输不均匀，电化学反应仅可以发生在三相界面处，导致电化学反应发生的不充分（ACS Energy Lett. 2022, 7, 766−772）。

因此解决全固态电池中复杂的界面问题，可以通过选择多功能双载流子导体，同时提供离子电子的传输，代替复合电极中的导电碳与电解质，减少电极材料中复杂的组分。对这种材料应该有如下的要求：（1）有良好的锂离子/电子电导率；（2）与活性物质之间形成稳定的界面；（3）有良好的机械稳定性，起到缓解体积效应的作用。一种二维材料过渡金属碳化物/氮化物MXene是最佳的候选者。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工艺简单、能量密度高、具有简化界面的一种双载流子传导的全固态电池电极材料及其制备方法。