CN213026226U - 一种以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池，包括正极、负极、硫化物固态电解质片及集流体，硫化物固态电解质片位于正极与负极之间，形成三明治结构，集流体覆盖在正极的自由侧和负极的自由侧，起到汇流的作用，所述负极为锂负极复合材料压制所得，所述锂负极复合材料由锂金属颗粒、硫化物固态电解质颗粒以及碳材料颗粒紧密结合形成，且锂金属颗粒、硫化物固态电解质颗粒以及碳材料颗粒在锂负极复合材料中均匀分布。本实用新型固态电池的结构可以极大地提升硫化物固态电解质与锂片接触稳定性，缓解锂负极锂枝晶的生长问题。
Description
技术领域
本实用新型属于全固态电池领域，具体涉及一种以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池。
背景技术
目前能源危机和温室效应日益严重，大力开发太阳能、风能等清洁能源已经迫在眉睫。但是太阳能以及风能等能源具有间歇性以及不稳定的特点，无法直接将这些低质量、不稳定的能源直接并网。这就需要储能技术将可再生清洁能源进行规模化的存储以及高效率的转换。而锂离子电池具有能量密度高、倍率性能好、自放电率低、寿命长、能量转换效率高、反应速度快等优点，当前发展势头最为迅猛，它被视为最具竞争力的储能技术之一。目前锂离子电池多用于多应用于电动汽车、电网频率控制、系统备用、系统稳定及新能源接入等领域。但是锂离子电池存在一个致命的问题，它含有大量液态可燃的有机电解液，在高温或者过充过放的情况下容易发生燃烧或者爆炸，存在一定的安全隐患，这也限制了它的大规模应用。
全固态电池是用固态电解质替换了液态电解质，可以消除安全隐患并具有高稳定性，是未来极具有发展前景的储能技术。在固态电解质中，硫化物电解质因为具有高离子电导率、良好的成型性、宽广的电化学窗口、较高的热稳定性在全固态电池中具有重要的应用价值。全固态电池采用固态陶瓷作为电解质使得直接采用锂片作为负极成为可能，锂负极认为是提高电池能量密度的最佳负极，因为锂负极具有最低的电化学势、低密度以及高理论容量。如果采用高强度的固态电解质来制备全固态电池，有望实现金属锂负极的应用并最终大幅度提高电池的能量密度。但是目前，直接将锂片作为全固态电池的负极还存在一些问题。一方面，绝大多数的硫化物固态电解质对锂金属易发生反应，存在不稳定性；另一方面，锂枝晶也十分容易在硫化物固态电解质缝隙和孔洞中生长。界面的不稳定以及锂枝晶的生长会影响整个全固态电池的运行容量和运行寿命。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现在技术的缺点，提供一种以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池，本实用新型固态电池的结构可以极大地提升硫化物固态电解质与锂片接触稳定性，缓解锂负极锂枝晶的生长问题。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池，包括正极、负极、硫化物固态电解质片及集流体，硫化物固态电解质片位于正极与负极之间，形成三明治结构，集流体覆盖在正极的自由侧和负极的自由侧，起到汇流的作用，所述负极为锂负极复合材料压制所得，所述锂负极复合材料由锂金属颗粒、硫化物固态电解质颗粒以及碳材料颗粒紧密结合形成，且锂金属颗粒、硫化物固态电解质颗粒以及碳材料颗粒在锂负极复合材料中均匀分布。
进一步地，所述锂金属颗粒的尺寸为5.0～20.0μm，硫化物固态电解质颗粒的尺寸为2.0～10.0μm，碳材料颗粒的尺寸为500nm～50μm。
进一步地，所述负极的形状为圆形或多边形，平均面积为1-1.5cm2，厚度为20～100μm。
进一步地，所述锂负极复合材料中锂金属颗粒和碳材料颗粒的质量比为(2.0～4.0):1，锂金属颗粒和碳材料颗粒的质量之和与硫化物固态电解质颗粒的质量比为(0.5-5):1。
进一步地，硫化物固态电解质片及硫化物固态电解质颗粒的材料为Li7P3S11、Li3PS4和80Li2S-20P2S5中的一种或者多种。
进一步地，碳材料颗粒的材料为导电炭黑、碳纤维、碳纳米棒和碳纳米管中的一种或者多种。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型的以锂负极复合材料为负极的硫化物全固态电池具有相当明显的优势，最主要的优势表现为：(1)该全固态电池的锂负极可以提高锂负极与固态电解质的接触面积，可以有效拓宽负极界面的离子通道，提高固态电池的倍率性能。(2)该全固态电池的锂负极复合材料可以抑制锂负极与固态电解质之间发生界面副反应，从而提高锂负极和固态电解质间的界面稳定性，提高固态电池的电化学稳定性。(3)该全固态电池的锂负极复合材料含有的碳材料可以提高锂负极的电子电导性，加快电子在锂负极间的传输，从而提高锂负极的电化学性能。(4)该全固态电池的锂负极复合材料具有三维结构，立体三维结构可以有效地抑制锂枝晶在固态电解质中的生长，另一方面，较大的界面接触面积也可以降低界面处的面电流密度，进一步抑制锂枝晶的生长，从而延长固态电池的循环寿命，提高电池的电化学性能。
附图说明
图1为本实用新型中硫化物固态电池的示意图；
图2为本实用新型中负极的示意图。
其中，1为正极，2为硫化物固态电解质片，3为负极，4为集流体，5为锂金属颗粒，6为硫化物固态电解质颗粒，7为碳材料颗粒。
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的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。
一种以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池，硫化物全固态电池由正极1、负极3、硫化物固态电解质片2、集流体4以及相关密封材料组成。硫化物固态电解质片2位于固态电池的正极1与负极3之间，形成三明治结构。集流体4覆盖在正极1和负极3的另外一侧，起到汇流的作用。负极3为锂负极复合材料施压压制所得，锂负极复合材料包括锂金属颗粒5、硫化物固态电解质颗粒6以及碳材料颗粒7，三者在锂负极复合材料中均匀分布，可选的，碳材料颗粒7采用导电炭黑、碳纤维、碳纳米棒或碳纳米管等碳材料中的一种或者多种；可选的，硫化物固态电解质片2和硫化物固态电解质颗粒6的材料选用Li7P3S11、Li3PS4或80Li2S-20P2S5等硫化物固态电解质中的一种或者多种；锂金属颗粒5和碳材料颗粒7的质量比为(2.0～4.0):1，锂金属颗粒5和碳材料颗粒7的质量之和与硫化物固态电解质颗粒6的质量比为(0.5-5):1；锂金属颗粒5、硫化物固态电解质颗粒6以及碳材料颗粒7三者在负极中互相紧密接触，锂金属颗粒5大小为5.0～20.0μm，硫化物固态电解质颗粒6的尺寸为2.0～10.0μm，碳材料颗粒7的尺寸为500nm～50μm；负极3的形状为圆形或多边形，平均面积为1-1.5cm2，厚度为20～100μm；负极3质地较为柔软，可与硫化物固态电解质片2紧密贴合。
锂负极复合材料采用熔融和球磨法制备，具体如下：
在手套箱中(O2<0.1ppm,H2O<0.1ppm)用天平取一定量的锂片，通过机械打磨的方法取出表面的氧化锂层。然后按质量比为(2.0～4.0):1取锂片和碳材料置于不锈钢的容器中混合，将其在200-350℃温度下加热使锂片融化，并在300-600rpm搅拌速率下充分搅拌0.5-2h后，得到锂碳复合粉末。通过将Li2S和P2S5按摩尔比Li2S:P2S5＝(2.0～4.0):1混合，在球磨机中以370-510rpm的转速球磨30-40h，然后得到的粉末在240-260℃下热处理2-4h，制备得到硫化物固态电解质粉末，最后按照质量比为(0.5-5):1将锂碳复合粉末和硫化物固态电解质粉末置于球磨机中在120-180rpm的转速下球磨0.5-1h，取出后研磨成粉末即得到锂负极复合材料，图2为制备的锂负极复合材料的示意图，可以从示意图看出通过球磨和热处理制备的复合负极材料中锂金属颗粒5、碳材料颗粒7和硫化物固态电解质颗粒6接触紧密，且分布均匀，提高了接触面积，可有效拓宽负极界面的离子通道，提高界面稳定性，抑制锂枝晶的生长，从而延长电池寿命。
在本申请所提供的实施例中，所揭露的技术内容，主要是针对以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池的，以上所述仅为本实用新型实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池，其特征在于，包括正极(1)、负极(3)、硫化物固态电解质片(2)及集流体(4)，硫化物固态电解质片(2)位于正极(1)与负极(3)之间，形成三明治结构，集流体(4)覆盖在正极(1)的自由侧和负极(3)的自由侧，起到汇流的作用，所述负极(3)采用锂负极复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种以锂复合材料为负极的硫化物全固态电池，其特征在于，所述负极(3)的形状为圆形或多边形，平均面积为1-1.5cm2，厚度为20～100μm。
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Cited By (2)
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