[发明专利]新型固态电池及其正极材料

说明书

本发明公开了一种新型固态电池及其正极材料，固态电池包括嵌入式储锂的正极、电池电解质以及富锂负极；嵌入式储锂的正极包括：包含嵌入式储锂的过渡金属硫族化合物及其复合材料的正极材料；正极材料同时具备离子导电性和电子导电性，并且在正极内部构成三维离子、电子导电网络结构，网络结构用以锂离子嵌入和脱出；过渡金属硫族化合物的晶体结构包括层状结构或谢弗雷尔相，过渡金属硫族化合物中的过渡金属包括IVB，VB，VIB，VIIB族金属元素中的至少一种；在锂离子嵌入和脱出过程中，过渡金属发生变价反应。该正极材料的引入可以全部或部分替代传统正极材料中的电解质和导电添加剂，有效降低电池中非活性物质的重量占比，提高固态电解质能量密度。

技术领域

本发明涉及高能量密度全固态金属锂电池领域，尤其涉及一种新型固态电池及其正极材料。

背景技术

储能技术水平关乎军事国防、交通输运、便携电子等多个领域的发展，更高的能量密度、更安全的工作状态、更稳定的输运性能是储能器件的发展方向。锂硫电池采用金属锂和单质硫的可逆反应作为储能反应，其理论比容量高达1675mAh/g，是目前储能器件中能量密度最高的种类之一。为了解决传统液态锂硫电池中多硫化物Li₂S_n(2n8)穿梭、金属锂枝晶生成等对电池造成的不利影响，固态锂硫电池应运而生，被认为是彻底解决锂离子电池安全性的终极手段。

然而，对于固态锂硫电池来说，硫单质的电子导电性和离子导电性都很低，而固态电解质对正极材料的浸润作用又极弱，这将限制正极材料中硫离子的输运，进而限制电池的容量。为了增加正极材料的导电性，人们减小硫单质的颗粒，增加其在正极材料中的分散性，同时在正极中参入大量的电解质和导电碳。然而，这些物质的引入会大大降低正极材料中单质硫的负载量，影响实际电池容量。为了将锂硫电池的容量优势发挥出来，一个导电性高、能量密度高的正极材料是目前全固态锂硫电池走向应用的必然要求。

本发明面向高容量全固态金属锂硫电池的应用，开发出一类导电性好、硫负载量高的正极材料。其创新之处在于，选择一类具有离子导电性和电子导电性的过渡金属硫化物作为正极材料与高容量硫复合：该类硫化物既可以作为电极材料活性物质参与锂硫反应，又可以起到固体电解质的作用提供离子传输通道，从而大幅减少正极材料中的电解质和导电添加剂的含量，为硫的负载提供更大的空间，在极限条件下，过渡金属硫化物可以100％替代固体电解质导电添加剂，从而实现正极中固体电解质含量为0，进而大大提高了该类正极材料的体积和质量能量密度。

发明内容

为了提升全固态电池的能量密度，我们提出一种基于过渡金属硫化物正极材料的全固态电池，使得正极材料中非活性物质的占比大大下降，极端情况下正极材料全部由活性物质构成，从而提高正极材料的能量密度。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种新型固态电池，所述新型固态电池包括嵌入式储锂的正极、电池电解质以及富锂负极；

所述嵌入式储锂的正极包括：包含嵌入式储锂的过渡金属硫族化合物及其复合材料的正极材料；所述正极材料同时具备离子导电性和电子导电性，并且在所述正极内部构成三维离子、电子导电网络结构，所述网络结构用以锂离子嵌入和脱出；

所述过渡金属硫族化合物的晶体结构包括层状结构或谢弗雷尔相，所述过渡金属硫族化合物中的过渡金属包括IVB，VB，VIB，VIIB族金属元素中的至少一种；在所述锂离子嵌入和脱出过程中，所述过渡金属发生变价反应。

优选的，所述富锂负极具体为：包含集流体的金属锂、锂合金、锂碳或硅基材料，所述硅基材料为预嵌锂的硅基材料。

优选的，所述金属硫族化合物具体为M_xS_y，M为阳离子，包括：Mo,Ti,V,Cr,Mn,Nb,Zr,W,Re,Ta，Re中的一种或多种；1≤x≤9，1≤y≤9，且x、y的取值满足保持化合物电中性。