CN208489305U - 一种由复合型固态电解质组成的全固态锂电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，包括正极集流体层、正极活性物质层、内层固态电解质层、负极活性物质层、负极集流体层、正极出极耳、负极出极耳、外层固态电解质层以及正极活性物质层表面涂层。本实用新型的结构设计特点在于可以通过中间硫化物固态电解质层来保证固态电池较高的离子电导率；同时又能在外层保护层隔绝水分和氧气的条件下避免内层固态电解质层的分解劣化，同时身为氧化物固态电解质层的外层包覆结构又能提供正负极活性物质层之间更多的锂离子导通通道,这样的结构设计可以在实现较高的离子电导率的同时延长固态电池的循环使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及电池能量开发领域，尤其涉及一种由复合型固态电解质组成的全固态锂电池。
背景技术
随着新能源电动汽车的快速发展，传统的锂离子电池因其含有液态的有机电解液而存在漏液、起火等安全隐患，并且其能量密度在采取现有的高镍三元加硅碳体系也很难突破350Wh/Kg,这限制了新能源电动汽车续航里程的进一步提升。另一方面，采用固态电解质替代液体电解液的固态锂电池，有望能实现500Wh/Kg较高的能量密度，同时固态电解质的不可燃性也提高了电池的安全性能。固态电解质材料在较高温度下稳定性好，电化学窗口宽，并且有较高的机械强度可以有效的抑制金属锂枝晶刺穿的发生。
目前的全固态电池主要研究重点关注在固态电解质上，包扩如何提高其离子电导率以及固态电解质与正负极活性物质层的接触改善。在各种技术方案中，以硫化物无机固态电解质的室温离子电导率最高可达10-2S/cm，氧化物固态电解质化学稳定性好，聚合物固态电解质易于加工成膜。研究人员寻找结合优化了不同电解质材料的性能，提出了诸如有机聚合物/无机固态复合电解质 CN107834104A，以及诸如现代公司提出的在导电材料表面涂步固态电解质以实现离子导电通路CN107403953A。这些改善界面接触及循环稳定性的方案也只能改善全固态电池的某一方面性能。
所以如何设计一种由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，如何提供一种以硫化物固态电解质为离子导电主体，并以氧化物固态电解质外层为保护隔绝层来最终实现高离子电导率由同时避免该固态电池中硫化物因氧、水分接触而导致的电池劣化，同时这些氧化物外层可以提供辅助锂离子通道。是业界亟待解决的问题。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有技术的上述不足，提出了一种由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，包括正极集流体层、设置在正极集流体层下端的正极活性物质层、设置在正极活性物质层底部的内层固态电解质层、设置在内层固态电解质层下方的负极活性物质层、设置在负极活性物质层底部的负极集流体层、设置在正极集流体层一端的正极出极耳、设置在负极集流体层一端的负极出极耳、设置在正极集流体层或负极集流体层外围的外层固态电解质层、以及设置在正极活性物质层表面上的正极活性物质层表面涂层。
优选地，所述的正极活性物质层材质采用LiFePO4、LiNixCoyMnzO2、 LiNixCoyAlzO2、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiMn2O4、Li(Ni0.5Mn1.5)O4、S、FeS、CuS、CoS2或MoS2等正极材料中的一种和几种。保证固态电解质与正极活性物质层的充分接触，采取球磨工艺将正极活性物质层与固态电解质按照A:B 的比例混合均匀，其中也可以加入1～5％的导电剂以增强正极材料的电导率。这样的导电剂既可以涂敷在正极活性物质层表面，也可以涂敷在固态电解质上。
优选地，所述的内层固态电解质层材料选择Li10MP2S12、Li11Si2PS12、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3、30Li2S·70P2S5、Li2S·SiS2或者Li7P3S11等硫化物固态电解质，减少固态电解质与正极活性物质层界面的接触阻抗，采取固态电解质混合正极材料的方式。同时考虑到固态电解质与金属Li、LiIn等锂合金负极界面的稳定性，可采取在其间涂敷一层离子导电、电子绝缘的缓冲层如LiNO3、TiO2、 Li3PS4等。
优选地，所述的负极活性物质层材料包括所述的负极活性物质层(104)的材质采用Li、LiIn、LiAl、Si或Sn等合金，也可以用碳活性材料如中间相碳微珠(meso-carbonmicrobead，MCMB)、天然/人造石墨、硬碳、软碳等。全固态锂电池可以采取金属Li或Li合金来作为负极活性物质层，其中为了保证负极Li对硫化物固态电解质的不稳定性，可以采取涂敷缓冲层的办法。
优选地，所述的外层固态电解质层材料选取在空气中稳定的NASICON型氧化物固态电解质，如Li1+xAlxTi2-x(PO4)3,Li1+xAlxGe2-x(PO4)3等在空气中化学稳定性相对较高的固态电解质。也可以通过物理与化学气相沉积的方法在固态电池的单元表面形成一层nm级的氧化物保护层，这样的电解质层也可以进一步扩大正负极活性物质层之间的锂离子导电通道。
本实用新型的设计要点在于提供的全固态锂电池包含正极集流体层，正极活性物质层，内层固态电解质层，负极活性物质层，负极集流体层，正极出极耳，负极出极耳，外层固态电解质层，其中采用两种不同性能的固态电解质层，其一中间层固态电解质主要是采用高锂离子电导率的硫化物固态电解质材料，以此实现正极极活性物质的锂离子较低的传导阻抗；其二，我们提出了外层氧化物固态电解质层的结构可以提供更多的导锂离子通道，同时也实现隔绝内层硫化物固态电解质层的作用，以避免硫化物电解质因接触空气而产生的化学不稳定性导致的电池劣化。结构相对简单，复合固态电解质结构可以有提供更多的离子通道的同时保护内层固态电解质层与空气接触而导致的电池劣化。
与现有技术相比，本实用新型的结构设计特点在于采取的新型复合型固态电解质的组合结构可以通过中间硫化物固态电解质层来保证固态电池较高的离子电导率；同时又能在外层保护层隔绝水分和氧气的条件下避免内层固态电解质层的分解劣化，同时身为氧化物固态电解质层的外层包覆结构又能提供正负极活性物质层之间更多的锂离子导通通道。这样的结构设计可以在实现较高的离子电导率的同时延长固态电池的循环使用寿命。
附图说明
图1为本实用新型的全固态单元结构示意图。
图2为本实用新型的剖面结构示意图。
图3为本实用新型的叠片固态电池单体模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对实用新型进行详细的说明。
如图1至3所示，本实用新型提出的一种由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，包括正极集流体层101、设置在正极集流体层101下端的正极活性物质层102、设置在正极活性物质层102底部的内层固态电解质层103、设置在内层固态电解质层103下方的负极活性物质层104、设置在负极活性物质层104底部的负极集流体层105、设置在正极集流体层101一端的正极出极耳106、设置在负极集流体层105一端的负极出极耳107、设置在正极集流体层101或负极集流体层105外围的外层固态电解质层108、以及设置在正极活性物质层102表面上的正极活性物质层表面涂层109。
正极活性物质层102包括LiFePO4、LiNixCoyMnzO2、LiNixCoyAlzO2、LiCoO2、 LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiMn2O4、Li(Ni0.5Mn1.5)O4、S、FeS、CuS、CoS2、MoS2等正极材料中的一种和几种。为了保证固态电解质与正极活性物质层的充分接触，一般采取球磨工艺将正极活性物质层与固态电解质按照A:B的比例混合均匀，其中也可以加入1～5％的导电剂以增强正极材料的电导率。这样的导电剂既可以涂敷在正极活性物质层表面，也可以涂敷在固态电解质上。
内层固态电解质层103材料可以选择Li10MP2S12，Li11Si2PS12，Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3,30Li2S·70P2S5、Li2S·SiS2、Li7P3S11等硫化物固态电解质，为了减少固态电解质与正极活性物质层界面的接触阻抗，一般采取固态电解质混合正极材料的方式。同时考虑到固态电解质与金属Li、LiIn等锂合金负极界面的稳定性，一般可采取在其间涂敷一层离子导电、电子绝缘的缓冲层如LiNO3、 TiO2、Li3PS4等。与传统的液态电解质相比固态电解质能达到10-3S/cm，并且可以实现较高的离子电导率。
负极活性物质层104材料包括Li、LiIn、LiAl、Si、Sn等合金，也可以用碳活性材料如中间相碳微珠(meso-carbon microbead，MCMB)、天然/人造石墨、硬碳、软碳等。一般的全固态锂电池可以采取金属Li或Li合金来作为负极活性物质层，其中为了保证负极Li对硫化物固态电解质的不稳定性，可以采取涂敷缓冲层的办法。
外层固态电解质层108材料选取在空气中稳定的NASICON型氧化物固态电解质，如Li1+xAlxTi2-x(PO4)3,Li1+xAlxGe2-x(PO4)3等在空气中化学稳定性相对较高的固态电解质。也可以通过物理与化学气相沉积的方法在固态电池的单元表面形成一层nm级的氧化物保护层，这样的电解质层也可以进一步扩大正负极活性物质层之间的锂离子导电通道。硫化物固态电解质作为主要导锂离子通道，同时可以因水分和氧气的接触而导致的硫化物固态电解质的分解劣化。可以采取一种在固态电池单元外层涂敷或者沉积一层较薄的氧化物固态电解质层，其厚度<10um，作为外层隔绝层。
由上述材料和方法得到复合型固态电解质组成的全固态单元，进一步可以更加实际需要将这样的单元结构通过叠片的方式串并连成更大容量的固态电池单体模块。
具体使用时，首先将较高离子电导率的硫化物固态电解质选作为主要传导离子通道的中间层，介于正负极活性物质层之间，可选取的硫化物电解质可包含玻璃陶瓷类30Li2S·70P2S5、75Li2S-25P2S5、80Li2S-20P2S5、Li2S·SiS2、Li7P3S11，晶态的Li10MP2S12，Li11Si2PS12，Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3,M＝Ge\Sn等具有较高离子电导率的硫化物固态电解质；其次，再优选一类化学性质更稳定的氧化物固态电解质作为外层保护层，同时也可以给内层固态电池单元结构提供更多的锂离子导电通道，一般可以选取Li1+xAlxTi2-x(PO4)3,Li1+xAlxGe2-x(PO4)3等在空气中相对稳定的氧化物固态电解质。
上述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利和保护范围应以所附权利要求书为准。
Claims (5)
1.一种由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，其特征在于：包括正极集流体层(101)、设置在正极集流体层(101)下端的正极活性物质层(102)、设置在正极活性物质层(102)底部的内层固态电解质层(103)、设置在内层固态电解质层(103)下方的负极活性物质层(104)、设置在负极活性物质层(104)底部的负极集流体层(105)、设置在正极集流体层(101)一端的正极出极耳(106)、设置在负极集流体层(105)一端的负极出极耳(107)、设置在正极集流体层(101)或负极集流体层(105)外围的外层固态电解质层(108)、以及设置在正极活性物质层(102)表面上的正极活性物质层表面涂层(109)。
2.如权利要求1所述的由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，其特征在于：所述的正极活性物质层(102)材质采用LiFePO4、LiNixCoyMnzO2、LiNixCoyAlzO2、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiMn2O4、Li(Ni0.5Mn1.5)O4、S、FeS、CuS、CoS2或MoS2。
3.如权利要求1所述的由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，其特征在于：所述的内层固态电解质层(103)的材质采用Li10MP2S12、Li11Si2PS12、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3、30Li2S·70P2S5、Li2S·SiS2或者Li7P3S11。
4.如权利要求1所述的由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，其特征在于：所述的负极活性物质层(104)的材质采用Li、LiIn、LiAl、Si或Sn。
5.如权利要求1所述的由复合型固态电解质组成的全固态锂电池，其特征在于：所述的外层固态电解质层(108)材质采用NASICON氧化物固态电解质。
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