CN113809386A - 一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池 - Google Patents

一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，该电池包括正极、固态电解质、金属锂负极和负极界面修饰层，负极界面修饰层位于金属锂负极和固态电解质之间，该负极界面修饰层是采用磁控溅射在固态电解质上制备的氮化铝涂层，本发明公开的具有氮化铝界面修饰层的固态锂电池，溅射的界面层致密和固态电解质结合紧密，可以将金属锂负极和固态电解质之间的界面从“疏锂性”变成“亲锂性”，从而有效改善界面亲锂性，在锂沉积过程中减少界面形核电位，提高界面稳定性，相比于未保护的固态金属锂电池能显著提高循环寿命，有效解决由锂负极和固态电解质带来的界面不浸润的现象，降低界面阻抗。

Description

一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池
技术领域
本发明涉及固态电池技术领域，特别是一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池。
背景技术
锂金属负极以其极高的理论容量(3860mAh g-1)和最负的电势(-3.040V vs.标准氢电极)而被称为是“圣杯”电极，被科研工作者们广泛研究。以金属锂为负极的组成的锂金属电池，包括锂-硫电池、锂-空电池和锂-氧化物电池等，相比于锂离子电池的能量密度，锂金属电池都表现出很高的优势。液态金属锂电池因含有易燃易泄露的电解液存在一定的安全隐患，因此发展固态电解质代替电解液和隔膜，可以极大的提升电池的安全性，固态电池也可以多次叠片，提高电池的能量密度。
固态电池虽然具有很多的优势，但是仍面临着严重的界面问题，其主要是无机固态电解质与金属锂都是固体，存在固固接触的问题，而且部分固态电解质的界面对金属锂表现出不浸润的现象，这些问题会增加界面阻抗，影响固态电池的电化学性能。
本发明公开了一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，该电池包括正极、固态电解质、金属锂负极和负极界面修饰层，负极界面修饰层位于金属锂负极和固态电解质之间，该负极界面修饰层是采用磁控溅射在固态电解质上制备的氮化铝涂层，本发明公开的具有氮化铝界面修饰层的固态锂电池，溅射的界面层致密和固态电解质结合紧密，可以将金属锂负极和固态电解质之间的界面从“疏锂性”变成“亲锂性”，从而有效改善界面亲锂性，在锂沉积过程中减少界面形核电位，提高界面稳定性，相比于未保护的固态金属锂电池能显著提高循环寿命，有效解决由锂负极和固态电解质带来的界面不浸润的现象，降低界面阻抗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，该电池包括正极、固态电解质、金属锂负极和负极界面修饰层，负极界面修饰层位于金属锂负极和固态电解质之间，该负极界面修饰层是采用磁控溅射在固态电解质上制备的氮化铝涂层，本发明公开的具有氮化铝界面修饰层的固态锂电池，溅射的界面层致密和固态电解质结合紧密，可以将金属锂负极和固态电解质之间的界面从“疏锂性”变成“亲锂性”，从而有效改善界面亲锂性，在锂沉积过程中减少界面形核电位，提高界面稳定性，相比于未保护的固态金属锂电池能显著提高循环寿命，有效解决由锂负极和固态电解质带来的界面不浸润的现象，降低界面阻抗。
为实现以上技术效果，采用如下技术方案：
一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，包括正极、固态电解质、负极界面修饰层和负极，所述负极界面修饰层是采用磁控溅射在固态电解质上制备的氮化铝层。
进一步的，所述氮化铝层的厚度为5nm～50μm，所述负极为锂金属或者锂的合金。
进一步的，所述负极界面修饰层的制备方法为：
步骤S1：将制备好的固态电解质表面清理后放入磁控溅射机器内，设置靶材，先抽真空；
步骤S2：向真空室内通入Ar气和N2气，控制N2和Ar气的比例，气流量，溅射时的气体压强，射频功率及基片加热温度范围，完成负极界面修饰层的制备。
进一步的，所述步骤S1中靶材为金属铝；所述步骤S1中抽真空小于7*10-4Pa。
进一步的，所述步骤S2中N2和Ar气的比例为(60-95):(5-40)；所述气流量20-60sccm；所述溅射时的气体压强为0.3～1.0Pa；所述射频功率为10-400W；所述基片加热温度范围20-500℃。
进一步的，所述所述步骤S2中N2气和Ar气的比例为(80-90):(10-20)，步骤S2中溅射时的气体压强为0.6-0.8Pa。
进一步的，所述所述步骤S2中射频功率200-300W，所述步骤S2中基片的加热温度300-450℃。
进一步的，所述所述氮化铝层的厚度为100nm～1μm。
进一步的，所述固态电解质包括钙钛矿型、NASICON型、石榴石型、卤化物型、硫化物型中的一种或几种。
进一步的，所述正极材料为LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、Li3V2(PO4)3、Li3V3(PO4)3、LiVPO4F、Li2CuO2、Li5FeO4、TiS2、V2S3、FeS、FeS2、TiO2、Cr3O8、V2O5、MnO2、LiCox Ni1-x- yAlyO2、LiFepMnqX1-p-qO4、Li1+sL1-p-qMpNqO2和LiYSr中的一种或几种；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1，-0.1≤s≤0.2，1≤r≤2.5；X为Al、Mg、Ga、Cr、Co、Ni、Cu、Zn或Mo的至少一种，L、M、N各自独立地为Li、Co、Mn、Ni、Fe、Al、Mg、Ga、Ti、Cr、Cu、Zn、Mo、F、I、S和B中的至少一种，Y为Ti、Fe、Ni、Cu、Mo中的至少一种。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中，采用氮化铝为界面修饰层，可以有效解决由锂负极和固态电解质带来的界面不浸润的现象，可以减少界面阻抗，这是因为金属锂和氮化铝发生反应形成Li-Al合金和Li3N，把界面从“疏锂性”变成“亲锂性”，可以解决界面的固固接触问题，同时还会提高界面的稳定性，在锂沉积过程中减少界面形核电位。
(2)本发明采用的是反应溅射在固态电解质表面制备氮化铝界面层，溅射的界面层致密，且和固态电解质结合紧密。
综上所述，本发明公开了一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，该电池包括正极、固态电解质、金属锂负极和负极界面修饰层，负极界面修饰层位于金属锂负极和固态电解质之间，该负极界面修饰层是采用磁控溅射在固态电解质上制备的氮化铝涂层，本发明公开的具有氮化铝界面修饰层的固态锂电池，溅射的界面层致密和固态电解质结合紧密，可以将金属锂负极和固态电解质之间的界面从“疏锂性”变成“亲锂性”，从而有效改善界面亲锂性，在锂沉积过程中减少界面形核电位，提高界面稳定性，相比于未保护的固态金属锂电池能显著提高循环寿命，有效解决由锂负极和固态电解质带来的界面不浸润的现象，降低界面阻抗，具备广阔的推广应用前景。
附图说明
图1是本申请实施例1得到的全固态电池的恒流放电性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
实施例1：
使用Li7La3Zr2O12固态电解质，使用砂纸打磨清洗后，放入磁控溅射真空室内，抽真空至7*10-4Pa，向真空室内通入N2气和Ar气，比例为80:20，气体压强0.6Pa，射频功率为200W，基片加热温度400℃，氮化铝界面层的厚度为1μm。
以锂为负极，LiFePO4为正极，组装电池，全电池按照锂负极-界面修饰层-固态电解质-正极的顺序组装成扣式电池，在0.3C下进行充放电测试，如图1所示，循环40圈后仍可保持130mAh/g，表现出良好的循环性能。
实施例2：
硫化物Li2S-P2S5电解质片表面清理后，放入磁控溅射真空室内，抽真空至7*10- 4Pa，向真空室内通入N2气和Ar气，比例为85:15，气体压强0.7Pa，射频功率为300W，基片加热温度300℃，氮化铝界面层的厚度为3μm。
以锂铟合金为负极，LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2为正极，组装电池，全电池按照锂负极-界面修饰层-固态电解质-正极的顺序组装成扣式电池，在0.1C下进行充放电测试，循环100圈后仍可保持174mAh/g，表现出良好的循环性能。
实施例3：
氧化物Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3电解质片表面清理后，放入磁控溅射真空室内，抽真空至7*10-4Pa，向真空室内通入N2气和Ar气，比例为85:15，气体压强0.7Pa，射频功率为300W，基片加热温度300℃，氮化铝界面层的厚度为3μm。
以锂铟合金为负极，LiCoO2为正极，组装电池，全电池按照锂负极-界面修饰层-固态电解质-正极的顺序组装成扣式电池，在0.3C下进行充放电测试，循环200圈后仍可保持165mAh/g，表现出良好的循环性能。
本发明公开了一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，该电池包括正极、固态电解质、金属锂负极和负极界面修饰层，负极界面修饰层位于金属锂负极和固态电解质之间，该负极界面修饰层是采用磁控溅射在固态电解质上制备的氮化铝涂层，本发明公开的具有氮化铝界面修饰层的固态锂电池，溅射的界面层致密和固态电解质结合紧密，可以将金属锂负极和固态电解质之间的界面从“疏锂性”变成“亲锂性”，从而有效改善界面亲锂性，在锂沉积过程中减少界面形核电位，提高界面稳定性，相比于未保护的固态金属锂电池能显著提高循环寿命，有效解决由锂负极和固态电解质带来的界面不浸润的现象，降低界面阻抗。
至此，本领域技术人员认识到，虽然本文已详尽展示和描述了本发明的实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导符合本发明原理的许多其他变形或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变形或修改。

Claims (10)

1.一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述固态金属锂电池包括正极、固态电解质、负极界面修饰层和负极，所述负极界面修饰层是采用磁控溅射在固态电解质上制备的氮化铝层。
2.如权利要求1所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述氮化铝层的厚度为5nm～50μm，所述负极为锂金属或者锂的合金。
3.如权利要求1所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述负极界面修饰层的制备方法为：
步骤S1：将制备好的固态电解质表面清理后放入磁控溅射机器内，设置靶材，先抽真空；
步骤S2：向真空室内通入Ar气和N2气，控制N2和Ar气的比例，气流量，溅射时的气体压强，射频功率及基片加热温度范围，完成负极界面修饰层的制备。
4.如权利要求3所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述步骤S1中靶材为金属铝；所述步骤S1中抽真空小于7*10-4Pa。
5.如权利要求3所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述步骤S2中N2和Ar气的比例为(60-95):(5-40)；所述气流量20-60sccm；所述溅射时的气体压强为0.3～1.0Pa；所述射频功率为10-400W；所述基片加热温度范围20-500℃。
6.如权利要求3所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述所述步骤S2中N2气和Ar气的比例为(80-90):(10-20)，步骤S2中溅射时的气体压强为0.6-0.8Pa。
7.如权利要求3所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述所述步骤S2中射频功率200-300W，所述步骤S2中基片的加热温度300-450℃。
8.如权利要求2所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述所述氮化铝层的厚度为100nm～1μm。
9.如权利要求1所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述固态电解质包括钙钛矿型、NASICON型、石榴石型、卤化物型、硫化物型中的一种或几种。
10.如权利要求1所述的一种具有负极界面修饰层的固态金属锂电池，其特征在于，所述正极材料为LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、Li3V2(PO4)3、Li3V3(PO4)3、LiVPO4F、Li2CuO2、Li5FeO4、TiS2、V2S3、FeS、FeS2、TiO2、Cr3O8、V2O5、MnO2、LiCox Ni1-x-yAlyO2、LiFepMnqX1-p-qO4、Li1+sL1-p-qMpNqO2和LiYSr中的一种或几种；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1，-0.1≤s≤0.2，1≤r≤2.5；X为Al、Mg、Ga、Cr、Co、Ni、Cu、Zn或Mo的至少一种，L、M、N各自独立地为Li、Co、Mn、Ni、Fe、Al、Mg、Ga、Ti、Cr、Cu、Zn、Mo、F、I、S和B中的至少一种，Y为Ti、Fe、Ni、Cu、Mo中的至少一种。
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Inventor after: He Jinhong

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