[发明专利]一种基于多层组合电解质的固态锂金属电池及其制备方法

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种基于多层组合电解质的固态锂金属电池及其制备方法，固态锂金属电池包括正极、多层组合电解质和锂金属负极，其中多层组合电解质是将多种不同功能的电解质层叠加获得的，多层组合电解质包括不同抗氧化性的多层组合电解质、不同导电性的多层组合电解质和不同机械特性的多层组合电解质中的一种；其操作简单，成本低廉，易于大规模生产，并可以兼具高离子电导率、宽电化学窗口、高离子迁移数、抗锂枝晶等优异性能，进而构筑高能量密度和高安全性的固态锂金属电池，具有很好的应用前景。

技术领域:

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种基于多层组合电解质的固态锂金属电池及其制备方法。

背景技术:

目前，化石燃料等非清洁能源的大量使用已造成严重的污染问题，绿色可再生能源的开发与有效利用以及环境保护成为全球共同关心的问题。发展能够实现高效能量存储和转换的二次电池不仅关系着国家经济发展和战略安全，而且与人民的生活息息相关，因此受到广泛的关注。

锂离子二次电池由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、工作温度宽和成本低等诸多优点，在消费类电子产品中得到广泛应用。传统液态电池由于电解液泄露、燃烧甚至爆炸等，而面临严重的安全性问题。近年来，基于固体电解质的固态电池逐渐成为研究热点，固体电解质的不可燃性和高稳定性，极大改善了电池的安全性问题。然而，单一固体电解质无法满足锂电池应用上的多种需求，严重阻碍高能量密度锂电池的发展。因此，亟需设计一种基于多层组合电解质的固态锂电池，通过简单可行的工艺，制备满足高电导率、宽电化学窗口、抗锂枝晶等多种性能要求的多层组合电解质，并应用到固态电池中，进而提高固态电池的能量密度和循环性，实现规模化生产具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种基于高电导率、宽电化学窗口、抗锂枝晶等多种性能要求的多层组合电解质的固态锂金属电池及其制备方法，从而提高固态电池的能量密度和循环性。

为了实现上述目的，本发明所述基于多层组合电解质的固态锂金属电池包括正极、多层组合电解质和锂金属负极，其中多层组合电解质是将多种不同功能的电解质层叠加获得的，电池的工作电压为3-5V，固态锂金属电池为纽扣或软包电池。

本发明所述多层组合电解质包括不同抗氧化性的多层组合电解质、不同导电性的多层组合电解质和不同机械特性的多层组合电解质中的一种。

本发明所述不同抗氧化性的多层组合电解质厚度为30-100μm，由聚合物基体、无机活性填料和锂盐按照质量比为(100-60)：(0-80)：(50-0)的比例组成，其中聚合物集体为抗氧化聚合物基体或耐还原聚合物基体。

本发明所述无机活性填料包括氧化物固体电解质和硫化物固体电解质中的一种；锂盐为含锂(Li)无机盐中的一种；抗氧化聚合物基体包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚N-甲基丙酰胺(PMA)及其衍生物中的一种；耐还原聚合物基体为聚氧化乙烯(PEO)分子量Mv＝1000000、Mv＝800 000、Mv＝600 000及其衍生物中的一种。

本发明所述不同导电性的多层组合电解质厚度为45-2000μm，由离子导电层和电子离子混合导电层构成；电子离子混合导电层靠近正极和锂金属负极两侧，包括部分被还原的陶瓷电解质和基于部分被还原的陶瓷电解质粉体的复合电解质膜中的一种；复合电解质膜由聚合物基体、部分被还原的陶瓷电解质粉体填料和锂盐按照质量比为(100-20)：(0-80)：(50-0)的比例组成，其厚度为15-50μm，；陶瓷电解质为易被还原的陶瓷电解质如锂镧钛氧(LLTO)、锂铝锗磷(LAGP)、锂铝钛磷(LATP)中的一种；部分被还原的陶瓷电解质层厚度为100-500μm；离子导电层置于电子离子混合导电层之间，包括复合电解质膜和陶瓷电解质层中的一种；其中复合电解质膜由聚合物基体、无机活性填料和锂盐按照质量比为(100-20)：(0-80)：(50-0)的比例组成，厚度为15-50μm；陶瓷电解质层为氧化物固体陶瓷电解质和硫化物固体陶瓷电解质中的一种，厚度为100-1000μm。