CN114204142B - 一种全固态电池界面缓冲层、制备方法及其电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全固态电池界面缓冲层、制备方法及其电池。所述全固态电池界面缓冲层设置于全固态电池的电极极片和固态电解质层之间，组成包括锂盐、聚碳酸酯；还包括(a)纳米二氧化硅、(b)纳米二氧化钛、(c)丙烯酸酯衍生物的低聚物中的至少一种。所述全固态电池包括：正极极片、负极极片、无机固态电解质层和界面缓冲层；按照正极极片、界面缓冲层、固态电解质层、界面缓冲层、负极极片的顺序通过叠片工艺组装成固态电池；所述界面缓冲层能够减弱阴阳离子间的相互作用，提高离子电导率，可以避免无机固态电解质层和电极之间接触而发生副反应，显著改善了固态电池的界面性能，有效提高电池的循环寿命。

Description

一种全固态电池界面缓冲层、制备方法及其电池
技术领域
本发明属于化学电源及能源储能技术领域，具体涉及一种全固态电池界面缓冲层、制备方法及其电池。
背景技术
近年来，由于锂电池具有能量密度高、开路电压高、循环寿命长、自放电低等优点，受到人们广泛的关注。目前大多数锂离子电池是基于有机电解质来进行Li+传导的，进而实现能量的存储与转换。那么，锂离子电池在实际应用过程中还是会受到其有机液体电解质较差的电化学性和热稳定性的限制，安全问题也尤为突出，容易发生挥发、泄漏、诱发火灾、爆炸等安全事故。
因此提高电池的安全性成为一个迫切需要解决的问题，固态电解质(SE)由于具有热稳定性、不易燃、无泄漏和无挥发等优点，且其有更高的热失控起始温度，大大提高了电池使用过程中的稳定性和安全性。
发展全固态锂离子电池对于全力推动锂离子电池的发展至关重要，固态电解质主要分为聚合物固态电解质和无机固态电解质，其中无机固态电解质又可以分为氧化物固态电解质和硫化物固态电解质。聚合物固态电解质具有柔性好、易加工等优良性能但电导率低、运行温度高和电化学窗口低等缺点使得聚合物电解质在固态锂电池中的应用受到限制。无机固态电解质，特别是硫化物电解质具有高离子电导率，宽电化学窗口，良好的稳定性受到了广泛关注。但是无机固态电解质存在空气稳定性差、界面稳定性差和正极、负极之间均存在界面问题，这限制着无机固态电解质的发展了应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种全固态电池界面缓冲层、制备方法及其电池，通过构建聚碳酸酯类聚合物原位形成的界面缓冲层，使其具有较好的粘性和凝胶状态，与固态电解质和电极的接触性良好，解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种全固态电池界面缓冲层，设置于全固态电池的电极极片和固态电解质层之间，组成包括锂盐、聚碳酸酯；还包括下述物质(a)-(c)中的至少一种；
(a)纳米二氧化硅；
(b)纳米二氧化钛；
(c)丙烯酸酯衍生物的低聚物。
在本发明一较佳实施例中，所述聚碳酸酯为聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸丁烯酯、聚碳酸亚乙烯酯或聚三亚甲基碳酸酯中的至少一种。
在本发明一较佳实施例中，所述界面缓冲层的厚度为1-200μm。
在本发明一较佳实施例中，所述锂盐的含量为5-95mol％。
在本发明一较佳实施例中，所述纳米二氧化硅或纳米二氧化钛的粒径为20nm-1μm；所述纳米二氧化硅或纳米二氧化钛的含量为1-80wt％。
在本发明一较佳实施例中，所述丙烯酸酯衍生物的低聚物为聚乙二醇单丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙三醇甲基丙烯酸酯、季戊四醇丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的一种或几种。
在本发明一较佳实施例中，所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、高氯酸锂、三氟甲基磺酸锂中的一种。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了所述的一种全固态电池界面缓冲层的制备方法，包括如下步骤：
S1：利用压片得到片状的无机固态电解质层，厚度为10-2000μm；
S2：将锂盐、聚碳酸酯，以及纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、丙烯酸酯衍生物的低聚物中的一种溶于溶剂中，磁力搅拌均匀后得到界面缓冲层前驱体；
S3：使所述界面缓冲层前驱体附着于固态电解质层、或同时附着于固态电解质层和电极极片上，静置烘干溶剂后得到界面缓冲层。
在本发明一较佳实施例中，所述S3中附着方式包括将界面缓冲层前驱体进行滴涂、喷涂或者旋涂。
在本发明一较佳实施例中，所述溶剂为乙腈。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：提供了一种全固态电池，按照正极极片、界面缓冲层、固态电解质层、界面缓冲层、负极极片的顺序通过叠片工艺组装而成；其中，所述界面缓冲层为上述的一种全固态电池界面缓冲层。
在本发明一较佳实施例中，所述固态电解质层的固态电解质选自LGPS型无机固态电解质、石榴石型无机固态电解质、钙钛矿型无机固态电解质、LISICON型无机固态电解质、硫银锗矿型无机固态电解质或反钙钛矿型无机固态电解质中的至少一种。
在本发明一较佳实施例中，所述固态电解质层的厚度为10-2000μm。
在本发明一较佳实施例中，所述正极极片中的活性物质包括钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料中的至少一种；所述负极极片为金属锂。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明通过构建原位形成的聚合物界面缓冲层，与全固态电池极片和固态电解质层组装后，能有效地消除了无机固态电解质和电极之间界面阻抗，同时高的离子电导率显著改善了界面的锂离子传导性能，所述界面缓冲层具有较高的机械强度，可以有效的抑制无机固态电解质和电极之间接触引发的副反应，抑制锂枝晶的生长，有效提高电池的循环性能。
附图说明
图1为实施例1电池的结构示意图；图中：1-金属锂负极，2-界面层，3-无机固态电解质片，4-锂金属正极。
图2为实施例1电池在0.2mA/cm2电流密度下的充放电曲线图。
图3为对比例1锂对称电池在0.2mA/cm2电流密度下的充放电曲线图。
图4为对比例1空白固态电解质片(左)和实施例1固态电解质片表面涂有界面层(右)SEM图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将通过实施例对本发明的内容进行更详细地描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
本发明的全固态电池引入界面缓冲层，所述界面缓冲层包括：锂盐、乙腈、聚碳酸乙烯酯(PEC)；所述界面缓冲层还包括下述物质(a)-(c)中的至少一种；
(a)纳米二氧化硅
(b)纳米二氧化钛
(c)丙烯酸酯衍生物的低聚物。
其中，所述固态电解质层的固态电解质选自LGPS型无机固态电解质、石榴石型无机固态电解质、钙钛矿型无机固态电解质、LISICON型无机固态电解质、硫银锗矿型无机固态电解质或反钙钛矿型无机固态电解质中的至少一种。
其中，所述正极活性物质包括钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料中的至少一种；所述负极为金属锂。
其中，所述锂盐选自双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、高氯酸锂、三氟甲基磺酸锂中的一种。
其中，所述丙烯酸酯衍生物的低聚物选自聚乙二醇单丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙三醇甲基丙烯酸酯、季戊四醇丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的一种或几种。
其中，所述固态电池界面缓冲层中锂盐的含量为5-95mol％。
实施例1
本实施例一种全固态电池界面缓冲层及其电池的制备方法如下：
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、纳米二氧化硅(摩尔分数0.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数60mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
如图1，本实施例制备的全固态电池，依次由正极极片、界面缓冲层、固态电解质层、界面缓冲层、负极极片组装而成，其中界面缓冲层厚度为10μm，为有粘性凝胶态，和电极和无机固态电解质片的接触性较好。
该界面缓冲层有效地消除了无机固态电解质和电极之间界面阻抗，同时高的离子电导率显著改善了界面的锂离子传导性能，所述界面缓冲层具有一定的弹性，可以有效的抑制无机固态电解质和电极之间接触引发的副反应，抑制锂枝晶的生长，有效提高电池的循环性能：
如图2，本实施例制备的全固态电池在0.2mA/cm2电流密度下的充放电曲线图。包含该界面层的对称锂电池的初始界面阻抗约为120Ω·cm2，在循环过程中该界面层对称锂电池的恒流电镀/剥离曲线展现出较小的极化电压(约50mV)，表明该界面层材料对锂金属具有良好的电化学稳定性以及较好的抑制锂枝晶生长的能力。
实施例2
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、纳米二氧化硅(摩尔分数0.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数80mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例3
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、纳米二氧化硅(摩尔分数0.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数95mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例4
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、纳米二氧化硅(摩尔分数1mol％)和LiTFSI(摩尔分数95mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例5
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、纳米二氧化硅(摩尔分数1.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数95mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例6
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、纳米二氧化钛(摩尔分数0.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数60mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例7
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、纳米二氧化钛(摩尔分数0.5％)和LiTFSI(摩尔分数80mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例8
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、纳米二氧化钛(摩尔分数0.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数95mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例9
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、聚乙二醇单丙烯酸酯(摩尔分数0.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数95mol％)溶于2mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例10
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、聚乙二醇单丙烯酸酯(摩尔分数0.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数95mol％)溶于4mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
实施例11
(1)制备前驱体：在充满氩气的手套箱中，将锂盐1g聚碳酸乙烯(PEC)、聚乙二醇单丙烯酸酯(摩尔分数0.5mol％)和LiTFSI(摩尔分数95mol％)溶于4mL乙腈中，搅拌溶解，获得澄清的混合溶液；
(2)将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片，将上述前驱体溶液涂布在无机固态电解质片表面，形成一层界面缓冲层前驱体；
(3)将涂有界面层前驱体的无机固态电解质在手套箱中85℃下搁置进行原位形成界面缓冲层；
(4)将带有界面缓冲层的无机电解质片和正负电极组装成电池。
对比例1
(1)在充满氩气的手套箱中，将200mg无机固态电解质Li10GeP2S12压成直径为12mm的陶瓷片作为电解质片；
(2)将陶瓷电解质片和正负极组装成电池。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种全固态电池，其特征在于：按照正极极片、界面缓冲层、固态电解质层、界面缓冲层、负极极片的顺序通过叠片工艺组装而成；
所述固态电解质层的固态电解质选自LGPS型无机固态电解质、石榴石型无机固态电解质、钙钛矿型无机固态电解质、LISICON型无机固态电解质、硫银锗矿型无机固态电解质或反钙钛矿型无机固态电解质中的至少一种；
所述界面缓冲层的组成为锂盐、聚碳酸酯以及丙烯酸酯衍生物的低聚物；
所述界面缓冲层的制备方法包括如下步骤：
S1：利用压片得到片状的无机固态电解质层，厚度为10-2000μm；
S2：将锂盐、聚碳酸酯以及丙烯酸酯衍生物的低聚物溶于溶剂中，磁力搅拌均匀后得到界面缓冲层前驱体；
S3：使所述界面缓冲层前驱体附着于固态电解质层、或同时附着于固态电解质层和电极极片上，静置烘干溶剂后得到界面缓冲层；
所述S3中附着方式包括将界面缓冲层前驱体进行滴涂、喷涂或者旋涂。
2.根据权利要求1所述的一种全固态电池，其特征在于：所述聚碳酸酯为聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸丁烯酯、聚碳酸亚乙烯酯或聚三亚甲基碳酸酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种全固态电池，其特征在于：所述界面缓冲层的厚度为1-200μm。
4.根据权利要求1所述的一种全固态电池，其特征在于：所述锂盐的含量为5-95mol％。
5.根据权利要求1所述的一种全固态电池，其特征在于：所述丙烯酸酯衍生物的低聚物为聚乙二醇单丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙三醇甲基丙烯酸酯、季戊四醇丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种全固态电池，其特征在于：所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、高氯酸锂、三氟甲基磺酸锂中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种全固态电池，其特征在于：所述溶剂为乙腈。
8.根据权利要求1所述的一种全固态电池，其特征在于：所述固态电解质层的厚度为10-2000μm。
9.根据权利要求1所述的一种全固态电池，其特征在于：所述正极极片中的活性物质包括钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料中的至少一种；所述负极极片为金属锂。
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