CN210200886U - 一种具有较高电化学性能的固态锂电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有较高电化学性能的固态锂电池，包括正极壳、复合电解质和负极壳，复合电解质由复合正极层、固态电解质层和复合负极层组成，且固态电解质层位于复合正极层和复合负极层之间，复合正极层由正极和氧化物型无机陶瓷组成，固态电解质层由氧化物型无机陶瓷组成，复合负极层由负极与氧化型无机陶瓷组成，且复合正极层、固态电解质层和复合负极层相互无缝融合。本实用新型利用复合正极层、固定电解质层和复合负极层组成的复合电解质能够使全固态电池具有不易燃、难短路的高安全性，以及高能量密度、长循环寿命的优良电化学性能。

Description

一种具有较高电化学性能的固态锂电池

技术领域

本实用新型涉及固态锂电池领域，特别涉及一种具有较高电化学性能的固态锂电池。

背景技术

随着电动汽车市场日益增加，对具有高能量密度、良好安全性能的锂离子电池的需求越来越高。目前商业锂离子电池主要使用石墨负极以及液态电解质，石墨负极理论容量低(372mAh g-1)，液态电解质易燃。此外，在大电流密度充放电情况下，易形成锂枝晶刺穿隔膜，造成电池短路，存在严重的安全隐患。因此，具备高安全性能的全固态锂电池应运而生。

全固态锂电池的关键组件为固态电解质，固态电解质可以解决液态电解质易燃问题，此外固态电解质的高模量也可以阻碍锂枝晶生长，防止电池短路。更为重要的是，固态电解质的使用使得具有最高能量密度(3860mAh g-1)以及最低化学电位(3.04V)的锂金属直接作为负极成为可能。固态电解质主要分为有机聚合物和无机陶瓷两大类，其中氧化物型无机陶瓷具备高离子电导率(～10-4S cm-1)以及相对于锂金属化学稳定的优势。然而，氧化物型无机陶瓷与锂电池中正、负极接触不良，界面电阻过大，而严重影响其电化学性能。

针对上述问题，本实用新型从固态电解质与正、负极的组成和构造入手，设计一种具有较小界面电阻的正极-固态电解质-负极一体化的组成结构，以提高固态锂电池的电化学性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有较高电化学性能的固态锂电池，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种具有较高电化学性能的固态锂电池，包括正极壳、复合电解质和负极壳，所述复合电解质由复合正极层、固态电解质层和复合负极层组成，且所述固态电解质层位于复合正极层和复合负极层之间，所述复合正极层由正极和氧化物型无机陶瓷组成，所述固态电解质层由氧化物型无机陶瓷组成，所述复合负极层由负极与氧化型无机陶瓷组成，且所述复合正极层、固态电解质层和复合负极层相互无缝融合。

优选的，所述复合正极层和复合负极层中的氧化物型无机陶瓷为疏松多孔、多管道、空心球。

优选的，所述固态电解质层中的氧化物型无机陶瓷为致密结构。

优选的，所述复合正极层、固态电解质层和复合负极层中的氧化物型无机陶瓷为钠超离子导体型、锂超离子导体型、钙钛矿型和石榴石型中的任意一种。

优选的，所述复合正极层中的正极为LiCoO2插锂化合物、LiNiO2插锂化合物、LiMn2O4插锂化合物和单质S中的任意一种。

优选的，所述复合负极层中的负极为石墨、碳纳米纤维、SnO2、过渡金属氧化物和锂金属中的任意一种。

本实用新型的技术效果和优点：

本实用新型利用复合正极层、固定电解质层和复合负极层组成的复合电解质能够使全固态电池具有不易燃、难短路的高安全性，以及高能量密度、长循环寿命的优良电化学性能。

附图说明

图1为本实用新型正面剖视结构示意图。

图中：1、正极壳；2、复合电解质；3、负极壳；4、复合正极层；5、固态电解质层；6、复合负极层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了如图1所示的一种具有较高电化学性能的固态锂电池，包括正极壳1、复合电解质2和负极壳3，复合电解质2由复合正极层4、固态电解质层5和复合负极层6组成，且固态电解质层5位于复合正极层4和复合负极层6之间，复合正极层4由正极和氧化物型无机陶瓷组成，复合正极层4中的正极为LiCoO2插锂化合物、LiNiO2插锂化合物、LiMn2O4插锂化合物和单质S中的任意一种，固态电解质层5由氧化物型无机陶瓷组成，复合负极层6由负极与氧化型无机陶瓷组成，复合负极层6中的负极为石墨、碳纳米纤维、SnO2、过渡金属氧化物和锂金属其中的任意一种，复合正极层4、固态电解质层5和复合负极层6中的氧化物型无机陶瓷为钠超离子导体型、锂超离子导体型、钙钛矿型、石榴石型，且复合正极层4、固态电解质层5和复合负极层6相互融合，无物理缝隙，从而大大降低界面电阻，提高固态锂电池电化学性能。

复合正极层4和复合负极层6均的中氧化物型无机陶瓷为疏松多孔、多管道、空心球，也可以是其它可以作为宿主容纳正、负极材料的结构。

固态电解质层5中的氧化物型无机陶瓷为致密结构，来抑制锂枝晶生长，避免正负极短路，避免正负极短路。

复合正极层4与复合负极层6通过高温烧结与固态电解质层5相互融合，复合正极层4中的正极和复合负极层6中的负极分别通过熔融或化学沉积方式中的任意一种与氧化物型无机陶瓷相互融合，提高融合效果，防止出现物理缝隙，例如，硫粉通过气相沉积到多管道氧化物型无机陶瓷中作为复合正极层；锂金属通过熔融与疏松多孔氧化物型无机陶瓷融合作为复合负极层。

本实用工作原理：该种固态全电池具有较小界面电阻，提高电池能量密度；且具有良好的热性能，不易燃烧，从而解决安全隐患；同时可有效抑制锂枝晶生长，避免因电池短路造成的燃烧爆炸。为有效容纳正、负极材料，复合正、负极层中的氧化物型无机陶瓷为超疏松多孔结构；为抑制锂枝晶生长，固态电解质层中的氧化物型无机陶瓷为具有高模量的致密结构；为改善复合正极层、固态电解质层、复合负极层间接触，三种中的氧化物型无机陶瓷通过高温煅烧融合；为改善复合正、负极层中正、负极材料与氧化物型无机陶瓷间接触，通过熔融或气相沉积实现正、负极材料负载；

为提高固态电解质离子电导率，同时避免与锂金属发生化学反应，选用石榴石型Li7La3Zr2O12作为无机陶瓷固态电解质；为获得高能量密度锂金属电池，正极材料选用单质S，负极材料选用金属Li。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有较高电化学性能的固态锂电池，包括正极壳(1)、复合电解质(2)和负极壳(3)，其特征在于：所述复合电解质(2)由复合正极层(4)、固态电解质层(5)和复合负极层(6)组成，且所述固态电解质层(5)位于复合正极层(4)和复合负极层(6)之间，所述复合正极层(4)由正极和氧化物型无机陶瓷组成，所述固态电解质层(5)由氧化物型无机陶瓷组成，所述复合负极层(6)由负极与氧化型无机陶瓷组成，且所述复合正极层(4)、固态电解质层(5)和复合负极层(6)相互无缝融合。

2.根据权利要求1所述的一种具有较高电化学性能的固态锂电池，其特征在于：所述复合正极层(4)和复合负极层(6)中的氧化物型无机陶瓷均为疏松多孔、多管道和空心球中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种具有较高电化学性能的固态锂电池，其特征在于：所述固态电解质层(5)中的氧化物型无机陶瓷为致密结构。

4.根据权利要求1所述的一种具有较高电化学性能的固态锂电池，其特征在于：所述复合正极层(4)、固态电解质层(5)和复合负极层(6)中的氧化物型无机陶瓷均为钠超离子导体型、锂超离子导体型、钙钛矿型和石榴石型中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种具有较高电化学性能的固态锂电池，其特征在于：所述复合正极层(4)中的正极为LiCoO2插锂化合物、LiNiO2插锂化合物、LiMn2O4插锂化合物和单质S中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种具有较高电化学性能的固态锂电池，其特征在于：所述复合负极层(6)中的负极为石墨、碳纳米纤维、SnO2、过渡金属氧化物和锂金属中的任意一种。

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