[发明专利]使用室温高速喷粉法制备高密度固体电解质薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明的各个实施方案涉及使用室温高速喷粉法制备高密度固体电解质薄膜的方法，更具体地涉及制备固体电解质薄膜的方法，所述方法可以通过如下步骤形成高密度氧化物基固体电解质薄膜：将氧化物基固体电解质粉末的平均粒径调节至0.1至10μm，加热氧化物基固体电解质粉末，然后在优化过程条件下使用室温高速喷粉法喷射氧化物基固体电解质粉末，显著改进了离子导电率。

背景技术

作为将锂离子电池的可燃电解质改变成无机电解质的锂电池，全固态离子电池被视为是终极安全电池。在全固态离子电池中，电解质被无机固体电解质替代，因此对于耐久性而言不存在材料劣化，特征随着温度的变化较小，并且循环寿命性能出色。

为了改进目前使用的锂离子电池的安全性、保证耐久性并且改进能量密度，全固态离子电池是重要的研发课题。特别地，使固体电解质层变薄的技术是能够改进电池单元的重量能量并且改进体积能量的技术，已经尝试了各种技术手段从而实现高密度固体电解质膜。

固体电解质膜需要通过高密度最小化膜中的缺陷从而保证高的离子导电率作为独特的材料特征，并且通过减小电解质膜的厚度从而保证高的离子导电率。

固体电解质材料大致上分成氧化物基材料和硫化物基材料。硫化物基材料为陶瓷材料并且具有与金属相似的柔性，因此当将压力施加至模制件时，与柔软金属相似地出现材料变形，固体电解质渗透至上下阳极或阴极层的孔，并且固体电解质层的厚度减小。此外，可以通过单独模制硫化物基固体电解质膜并且使用高压压机从而减小厚度。

在陶瓷材料中最容易减小膜厚度的技术是在模制和烧结之后通过加工减小厚度的方法。可以通过使用精密剪切机减小厚度，或者通过表面抛光减小厚度。在机械加工的情况下，难以加工300μm或更小的厚度，并且在抛光方法的情况下，即便使用在半导体过程中使用的化学机械抛光(CMP)方法，仍然非常难以加工20μm或更小的厚度。当样本的面积增加时，加工厚度的下限进一步增加。在所述加工方法中，存在的缺点是加工成本昂贵并且在加工时产生许多遗失料，这增加了产品价格。

特别地，在氧化物基固体电解质材料的情况下，对于致密化，通常使用高温烧结过程。在烧结过程中，在模制件的孔通过颗粒之间的材料的移动而被填充的同时，出现致密化。在氧化物基固体电解质石榴石的情况下，需要烧结温度为1,100℃或更高的高温过程。此外，氧化物基固体电解质石榴石具有典型陶瓷材料的机械特征，在具有所述脆性的材料的情况下，在通过机械力使材料出现变形之前，发生断裂。

在使氧化物基固体电解质致密化和变薄的技术中，提出了自上而下法和自下而上法。自上而下法是保证厚烧结体形式的高密度电解质并且通过后处理减小厚度的方法，自下而上法是从材料形成步骤开始通过膜形成过程保证高密度的方法。

然而，自上而下法需要用于致密化的烧结过程，并且在加工步骤中存在大量损失。此外，自下而上法需要高真空或者在用于控制组成的过程条件方面具有极大限制。

为了使氧化物基固体电解质致密化和变薄，通过机械压机不能形成薄膜(例如常规硫化物基材料)。此外，由于需要高温下的高温过程，由于制备成本和制备过程而存在许多限制。

公开于本发明的背景部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的各个方面通过如下步骤提供高密度氧化物基固体电解质薄膜：将氧化物基固体电解质粉末的平均粒径调节至0.1至10μm，加热氧化物基固体电解质粉末，然后在优化过程条件下使用室温高速喷粉法喷射氧化物基固体电解质粉末，从而显著改进离子导电率，由此完成本发明。

因此，本发明的各个方面提供使用室温高速喷粉法制备具有显著改进的离子导电率的高密度固体电解质薄膜的方法。

在一个方面，本发明的各个方面提供一种制备高密度固体电解质薄膜的方法，所述方法使用室温高速喷粉法并且包括：(a)制备具有0.1至10μm的平均粒径的氧化物基固体电解质粉末；(b)热处理氧化物基固体电解质粉末；和(c)通过在阳极层或阴极层上使用室温高速喷粉法喷射氧化物基固体电解质粉末从而形成氧化物基固体电解质薄膜。

在根据本发明的示例性实施方案的使用室温高速喷粉法制备高密度固体电解质薄膜的方法中，能够通过如下步骤形成高密度氧化物基固体电解质薄膜：将氧化物基固体电解质粉末的平均粒径调节至0.1至10μm，加热氧化物基固体电解质粉末，然后在优化过程条件下使用室温高速喷粉法喷射氧化物基固体电解质粉末，显著改进了离子导电率。